Lichtschalter

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Sie gilt als Paradebeispiel einer perfekten Zusammenarbeit: die Symbiose zwischen Knöllchenbakterien und Leguminosen. Die Bakterien versorgen ihre Wirtspflanze mit Stickstoff und genießen im Gegenzug Kost und Logis. Manche Bakterien sitzen jedoch nicht nur in den dunklen Wurzeln, sondern auch in den lichtdurchfluteten Stängeln ihres Wirtes und können hier Photosynthese betreiben. Ein lichtempfindliches Pigment schaltet den Photosynteseapparat an.

Andreas Jahn

An Stickstoff herrscht kein Mangel – besteht unsere Atmosphäre doch zu fast 80 Prozent aus diesem Gas. Höheren Pflanzen nützt das jedoch wenig, da sich der molekulare Stickstoff nicht so ohne weiteres knacken lässt. Sie bevorzugen daher Nitrat- und Ammoniumverbindungen, um ihren Stickstoffbedarf zu decken.

Bakterien sind da pfiffiger. Manche Arten haben sich darauf spezialisiert, molekularen Stickstoff zu Ammonium zu reduzieren. Diese Stickstofffixierung gehört zu den zentralen ökologischen Prozessen, von denen das Pflanzenwachstum und damit letztendlich das Leben auf der Erde abhängt.

Besonders effektiv nutzen diesen Prozess die Leguminosen, zu denen wichtige landwirtschaftlich genutzte Pflanzen gehören, wie Erbsen, Bohnen, Sojabohnen, Luzerne oder Klee. Sie haben ihre Stickstofflieferanten fest integriert und bieten ihnen in ihren Wurzelknöllchen eine sichere Heimstatt. Manche Bakterien, zu denen auch die Gattung Bradyrhizobium gehört, leben jedoch nicht nur in den Wurzeln ihrer Wirtspflanzen, sondern auch in Stängelknöllchen. Und bei diesen Bakterien machte ein französisches Forscherteam jetzt eine interessante Entdeckung.

Wie Eric Giraud vom Institut de recherche pour le développement in Montpellier zusammen mit seinen Kollegen herausfand, besitzt Bradyrhizobium ein Pigment, das die Wissenschaftler bisher nur von höheren Pflanzen kennen. Dieses Phytochrom genannte Protein steuert bei Pflanzen wichtige Prozesse wie Blütenbildung und Wachstum. Es liegt in zwei unterschiedlichen lichtabhängigen Strukturformen vor, wobei die eine hellrotes Licht absorbiert, die andere dagegen dunkelrotes. Das Licht der entsprechenden Wellenlänge wandelt die eine Form in die andere um und aktiviert beziehungsweise deaktiviert damit das Protein.

Wie die Wissenschaftlergruppe nun herausfand, steuert das gefundene Bacteriophytochrom die Photosynthese der Bakterien: Sobald es sich durch dunkelrotes Licht in seine aktive Form verwandelt hat, verbindet es sich mit dem Protein PspR. Dieses Protein dient als Transcriptionsfaktor, der normalerweise das Ablesen der für die Photosynthese benötigten Gene blockiert. Durch die Bindung mit dem Bacteriophytochrom wird diese Blockade verhindert, die Gene können ungestört abgelesen werden und den Photosyntheseapparat aufbauen.

Wozu braucht Bradyrhizobium einen solchen Lichtschalter? Es passt sich damit an seinen jeweiligen "Wohnort" an: In den dunklen Wurzelknöllchen wäre der Aufbau des Photosyntheseapparates reine Energieverschwendung. Das Bacteriophytochrom liegt hier in seiner inaktiven Form vor, die Photosynthese ist abgeschaltet.

In den Stängelknöllchen sitzen die Bakterien jedoch unmittelbar unter den chlorophyllhaltigen Zellen ihres Wirtes. Diese absorbieren vor allem im blauen und roten Bereich und lassen dunkelrotes Licht passieren, sodass es die Bakterien nutzen können, um ihr Phytochrom zu aktivieren. Die Photosynthese kann starten.