Symbioprotein Ferritin (SymProFerr)

Einige Pflanzen können sich vor Austrocknung schützen, indem sie mit Bakterien im Boden kommunizieren. Diese erhöhte Stresstoleranz kann den Ernteertrag bei geringem Niederschlag und/oder erhöhten Temperaturen erhalten. Die positive Wechselbeziehung (Symbiose) zwischen Pflanzen der Hülsenfrüchtler (z.B. Erbsen und Bohnen) mit speziellen Bodenbakterien (Rhizobien) wurde vor etwa 130 Jahren erstmals beschrieben. Sie erlaubt es diesen Pflanzen, auf stickstoffarmer Erde zu wachsen und unterdessen die Bakterien mit Zucker und anderen Nährstoffen zu versorgt. Bei dieser Symbiose bilden sich neue Pflanzenorgane, die Wurzelknöllchen, aus, in denen die Bakterien geschützt leben können. Dabei entstehen viele Veränderungen im Stoffwechsel der Pflanze, die sich positiv auf Ihr Immunsystem auswirken können. Allerdings gibt es noch viele offene Fragen darüber, wie sich diese Symbiose genau bildet, welche Nährstoffe dabei besonders wichtig sind, wie der Nährstoffaustausch genau funktioniert und warum die Pflanze dadurch widerstandsfähiger wird. Eisen ist einer der Nährstoffe, der nicht nur für das Wachstum der Pflanzen, sondern auch für die Bildung und Funktion der Symbiose bedeutsam scheint. Das Pflanzenprotein Ferritin dient dabei der gezielten Speicherung und Abgabe von Eisen an das Pflanzengewebe und während der Symbiose auch an die Wurzelknöllchen. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, daß Pflanzen, denen dieses bestimmte Protein fehlte, keine Wurzelknöllchen ausbilden können, was vermuten läßt, daß Ferritin auch schon für die Entwicklung der Symbiose wichtig ist. Interessanterweise scheint das Ferritin gleichzeitig auch an der erhöhten Widerstandsfähigkeit bei Trockenheit in den Pflanzen beteiligt zu sein und vermehrt bei der Symbiose gebildet zu werden. In unserer Studie, soll daher die Doppelrolle von Ferritin und Eisen sowohl bei der Symbiose-Bildung, als auch bei der Verminderung von Trockenstress, genauer untersucht und verstanden werden. Die Erkenntnisse sind wahrscheinlich auf viele wichtige Kulturpflanzen aus der Familie der Leguminosen übertragbar. Pflanzenzüchter könnten sich dieses Wissen zunutze machen, um Ihre Leguminosen vor Klimaveränderungen zu schützen.

Das vorliegende Forschungsprojekt baut auf unseren früheren Erkenntnissen zur verbesserten Trockenstresstoleranz von Hülsenfrüchten in symbiotischer Partnerschaft mit Knöllchenbakterien auf (FWF [P23441-B20]). Knöllchenbakterien ermöglichen es Hülsenfrüchten wie Bohnen und Erbsen, auch auf stickstoffarmen Böden ohne Düngung zu wachsen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wir eine spezielle Gruppe von Proteinen, die sogenannten Ferritine, als potenziell entscheidende Regulatoren identifizieren. Ferritine sind Proteine, die nicht nur im menschlichen Körper, sondern auch in Pflanzen eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Eisenhaushalts spielen. Eisen kann in hohen Konzentrationen schädlich sein und wird unter Stressbedingungen freigesetzt. Ferritine binden überschüssiges Eisen und verhindern so Schäden durch freie Ionen; gleichzeitig können sie bei Eisenmangel gespeichertes Eisen freisetzen. Unsere Untersuchungen zeigen, dass Ferritine bei symbiotischen Pflanzen verstärkt produziert werden und eine Schlüsselrolle bei der erhöhten Trockenstresstoleranz spielen könnten. Da es mehrere Arten von Ferritin-Proteinen gibt, war es wichtig herauszufinden, welches dieser Proteine die Hauptrolle sowohl bei der Symbiose mit Knöllchenbakterien als auch bei der Trockenstresstoleranz übernimmt. Wissenschaftliche Ergebnisse Unser Team konnte erstmals das Verhältnis verschiedener Ferritine in den Organen von Hülsenfrüchten analysieren und dabei feststellen, welches Ferritin in den Knöllchen und Blättern jeweils die Hauptfunktion übernimmt: Knöllchenbildung: Wir haben erstmals gezeigt, dass ein spezifisches Ferritin für die Bildung von Knöllchen und damit für die Symbiose essenziell ist. Ohne dieses Protein kommt keine Knöllchenbildung zustande - ein entscheidender Prozess für das Wachstum auf stickstoffarmen Böden. Trockenstresstoleranz: Durch die Symbiose erhöht sich Ferritin im Blattgewebe, wichtig bei der Trockenstresstoleranz der Pflanze. Besonders wichtig: die Symbiose erhöht Stresstoleranz sowohl in den anfälligen, als auch in den robusten Sorten deutlich. Dieses Ergebnis beschreibt erstmals einen universellen Nutzen, der über die genetische Variabilität verschiedener Sorten hinausgeht. Aufgrund dieser Erkenntnisse bezeichnen wir Ferritine nun als "Symbioproteine". Diese Messungen wurde erfolgreich auch auf verschiedene Pflanzenarten angewendet - sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen als auch im Freiland am Neusiedler See (Burgenland, Österreich). Unsere Forschungsergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der Symbiose zwischen Hülsenfrüchten und Knöllchenbakterien sowie zur Verbesserung der Trockenstresstoleranz bei - beides zentrale Themen für nachhaltige Landwirtschaft. Geplante Publikationen Die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus diesem Projekt werden in mehreren Fachpublikationen veröffentlicht: 1. Symbioprotein Ferritin - Evidence for a dual role of Ferritin(s) in legume-rhizobium symbiosis 2. Symbiont Induced Staygreen effect is robust across different natural accessions of Medicago truncatula, independent of their inherited drought stress tolerance 3. The role of Ferritin in Lotus tenuis grown at different sites at the salt lake Neusiedl Eine Übersicht bietet außerdem unsere Projektwebseite. https://homepage.univie.ac.at/stefanie.wienkoop/SYMPROFERR_abstract_en.html Dieses Projekt wurde durch nationale und internationale Kooperationen bereichert: Daten zur erste Publikation entstanden gemeinsam mit Prof. Gonzalez-Guerrero (Technische Universität Madrid), dessen Team sich an Transformationsarbeiten beteiligte. Ergebnisse der dritte Publikation wurde zusammen mit Prof. Woebke und PhD-Studentin Dania Randi (FWF DocSchool Maintain) durchgeführt.