Peptidimitation ist die aufrichtigste Form der Pflanzenschmeichelei

Peptidimitation ist die aufrichtigste Form der Pflanzenschmeichelei

Salk-Wissenschaftler nutzen kleine Peptide, um die Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen zu verbessern und bieten so eine nachhaltige Alternative zu Kunstdünger

LA JOLLA – Industrielle Landwirtschaft entzieht dem Boden oft wichtige Nährstoffe und Mineralien, sodass Landwirte auf Kunstdünger angewiesen sind, um das Pflanzenwachstum zu fördern. Tatsächlich hat sich der Düngemittelverbrauch seit den 1960er Jahren mehr als vervierfacht, was jedoch schwerwiegende Folgen hat. Die Düngemittelproduktion verbraucht enorme Mengen an Energie und verschmutzt Wasser, Luft und Land.

Pflanzenbiologen am Salk Institute schlagen eine neue Lösung vor, um diese nicht nachhaltige Düngegewohnheit loszuwerden.

In einer neuen Studie identifizierten die Forscher ein Schlüsselmolekül, das von Pflanzenwurzeln produziert wird: ein kleines Peptid namens CLE16, das die Interaktion zwischen Pflanzen und nützlichen Bodenpilzen fördert. Sie sagen, dass die Förderung dieser symbiotischen Beziehung, bei der die Pilze die Pflanzen durch CLE16-Ergänzung mit Mineralstoffen versorgen, ein natürlicherer und nachhaltigerer Weg sein könnte, das Pflanzenwachstum ohne den Einsatz schädlicher Kunstdünger zu fördern.

Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Die Proceedings der National Academy of Sciences April 14, 2025.

„Viele Pflanzen haben sich zu symbiotischen Beziehungen mit anderen Arten entwickelt, doch industrielle Züchtungstechniken haben viele Symbiosemerkmale unserer modernen Nutzpflanzen gedämpft und ihre Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln gefestigt“, sagt der leitende Autor Lena Müller, ein Assistenzprofessor bei Salk. „Indem wir die natürliche Symbiose zwischen Pflanzenwurzeln und Pilzen wiederherstellen, könnten wir den Nutzpflanzen helfen, die Nährstoffe zu bekommen, die sie brauchen, ohne dass wir schädliche Düngemittel verwenden müssen.“

In dieser für beide Seiten vorteilhaften Beziehung versorgen bodenbürtige arbuskuläre Mykorrhizapilze Pflanzen mit Wasser und Phosphor, die die Pflanzen im Austausch gegen Kohlenstoffmoleküle annehmen. Dieser Austausch erfolgt durch spezialisierte symbiotische Pilzranken, sogenannte Arbuskeln, die sich in die Wurzelzellen der Pflanzen eingraben. Rund 80 % der Pflanzen können auf diese Weise Ressourcen mit Pilzen tauschen. Die Eigenschaften, die diese Symbiose ermöglichen, wurden jedoch im Laufe der Jahrhunderte der landwirtschaftlichen Pflanzenzucht, die auf die Erzeugung ertragsstärkster Nutzpflanzen ausgerichtet war, geschwächt.

Wissenschaftler von Salk meinen, dass neue Pflanzensorten gezüchtet werden könnten, um diese Eigenschaften wieder zu stärken – eine Möglichkeit, die sie durch die Arbeit des Instituts erforschen wollen. Initiative Nutzpflanzen.

Um diese Eigenschaften zu entdecken und zu stärken, begann Muellers Labor mit der Züchtung einer Art arbuskulärer Mykorrhizapilze zusammen mit Medicago truncatula, eine kleine mediterrane Hülsenfrucht. Nachdem die beiden eine symbiotische Beziehung eingegangen waren, untersuchten die Forscher, welche Gene diese Interaktion unterstützten.

Die Hülsenfrüchte hatten begonnen, große Mengen eines kleinen Signalmoleküls namens CLE16 zu produzieren – ein Mitglied der CLE-Peptidfamilie. Diese kleinen Signalmoleküle kommen in vielen Pflanzenarten vor, waren aber bisher kaum erforscht. Bis CLE16 die einzigen pflanzlichen CLE-Peptide war, die Wissenschaftler hätten untersuchten Substanzen wirkten der Symbiose entgegen.

„Wir haben das erste pflanzliche CLE-Peptid gefunden, das Symbiose tatsächlich begünstigt und fördert“, sagt Erstautor Sagar Bashyal, Doktorand in Müllers Labor. „Aus wissenschaftlicher Sicht ist es wirklich spannend, solch überraschende neue Erkenntnisse über diese Peptide zu gewinnen. Es ist ein großer Schritt hin zu nachhaltigen Pflanzen-Pilz-Beziehungen im Freiland.“

Um zu bestätigen, dass CLE16 die symbiotische Beziehung förderte, gab Bashyal dem Boden zusätzliches CLE16 hinzu, um zu sehen, was passierte. Die zusätzliche Dosis CLE16 machte die Pilzarbuskeln robuster und langlebiger, was letztendlich die Häufigkeit dieser Nährstoffaustauschstrukturen in den Wurzeln erhöhte. Das Ergebnis war ein sich selbst verstärkendes pro-symbiose-Signal: Je mehr sich der nützliche Pilz in den Wurzeln ausbreitete, desto mehr CLE16 produzierte die Pflanze, was wiederum eine noch stärkere Pilzbesiedlung förderte.

Das Team führte anschließend eine Reihe von Experimenten durch, um zu verstehen, wie CLE16 diese Interaktion zwischen Pflanzen und nützlichen Pilzen fördert. Ihre Ergebnisse zeigten, dass CLE16 die Symbiose über das Signalprotein CORYNE (CRN) fördert, einen Bestandteil des CLAVATA-Rezeptorkomplexes, der für seine Rolle bei der Reaktion von Pflanzen auf die Umwelt bekannt ist.

Wenn eine Pflanze unter Stress steht, aktiviert sie ihre Immunität, um sich vor weiteren Bedrohungen zu schützen. Dies macht die Pflanze jedoch auch unempfindlicher gegenüber Pilzen in ihrer Umgebung. Mueller prognostiziert, dass die Bindung von CLE16 an den CRN-CLAVATA-Rezeptorkomplex den Stresspegel und die Immunreaktion der Pflanze reduziert, sodass der nützliche Pilz in die Pflanzenwurzeln eindringen und den Nährstoffaustausch beginnen kann.

Wichtig ist, dass Muellers Team zeigte, dass viele arbuskuläre Mykorrhizapilze auch ihre eigenen CLE16-ähnlichen Peptide produzieren, die ebenfalls förderten die Symbiose, wenn sie dem Boden zugesetzt wurden. Die Forscher vermuten, dass diese Pilzpeptide die pflanzeneigenen CLE16-Peptide imitieren und es dem nützlichen Pilz so ermöglichen, die Symbiose zu verstärken, indem er an dieselben CRN-CLAVATA-Rezeptorkomplexe der Pflanze bindet.

Da bestätigt wurde, dass sowohl die Ergänzung mit pflanzlichem CLE16 als auch mit pilzlichem CLE16-ähnlichem Peptid die Symbiose verbessert, könnte eine ähnliche Ergänzung auf Ackerland die Lösung sein, um das Wachstum von Pilznetzwerken anzukurbeln, die den Nutzpflanzen Jahr für Jahr zugute kommen.

Zukünftige Arbeiten werden zeigen, ob CLE16-Peptide oder pilzliche CLE16-ähnliche Peptid-Mimetika auch die Symbiose in wichtigen Nutzpflanzen wie Soja, Mais oder Weizen fördern. Wenn dies der Fall ist, könnte man diese Moleküle nutzen, um nicht nachhaltige, umweltschädliche chemische Düngemittel durch nützliche Pilze zu ersetzen.

„Arbuskuläre Mykorrhizapilze wirken nicht nur als biologischer Dünger, sondern bieten Pflanzen auch eine natürliche Schutzschicht, die uns helfen könnte, den Pestizideinsatz zu reduzieren“, sagt Mueller. „Wenn wir nützliche Pilze und andere Mikroben nutzen, um Pflanzen beim Aufbau dieser symbiotischen Beziehungen zu unterstützen, können wir unsere Nutzpflanzen, Felder und Böden langfristig nachhaltiger und gesünder gestalten.“

Die Arbeit wurde durch Startkapital der University of Miami und der Hess Foundation sowie des National Institute of Food and Agriculture (2022-67013-42820) des US-Landwirtschaftsministeriums unterstützt.

DOI: X