Endbericht

Die Leguminosen−Wurzelbakterien (Rhizobium) Symbiose spielt eine wichtige Rolle für die Nahrungsproduktion einer stetig wachsenden Weltbevölkerung. In dieser Symbiose wird der Luftstickstoff von dem Bakterien-Enzymkomplex, der Nitrogenase, in Ammonium umgewandelt („fixiert“), und an die Pflanzenzellen abgegeben. Im Gegenzug werden Kohlenstoffverbindungen aus dem über die Photosynthese produzierten Zucker als Energielieferant von der Pflanze zu den Bakterien transportiert. Dieser Vorgang ermöglicht es den Pflanzen, in Stickstoff (N) armen Böden zu wachsen, obwohl N den wichtigsten Nährstoff für das Pflanzenwachstum darstellt.
Schon frühe Forschungen zeigten, daß Sulfatverfügbarkeit im Boden auch eine entscheidende Rolle für die symbiotische N-Fixierung (SNF) spielte (Anderson und Spencer, 1950). Klee, der unter Sulfatmangel wuchs, zeigte eine stark verringerte SNF Aktivität. Zudem beschrieben Zhao und Kollegen (1999), daß die SNF sehr sensibel auf Sulfatmangel reagierte, da sich nach Zugabe von Sulfat zu Erbsenpflanzen, die zuvor auf sulfatarmen Böden gewachsen waren, die Menge von fixiertem N verdoppelte. Ob auf Grund eines generellen Sulfatmangels in der Wirtspflanze hervorgerufen, oder als direkte Wirkung auf den SNF Prozess, blieb dabei allerdings unklar.
Interessanterweise befindet sich in der Symbiosomenmembrane (eine Pflanzliche Membran, welche die symbiotischen Bakterien umschließt), eine große Menge eines Sulfattransporters (Wienkoop und Saalbach, Krusell et al. 2005). Sulfat ist ebenfalls ein essentieller Nährstoff für alle lebenden Organismen aber seine Bedeutung für die SNF blieb lange unterschätzt.

In diesem Projekt konnten nun die folgenden Fragen geklärt werden:

Die Ergebnisse dieser Studie brachten neue Erkenntnisse und Antworten zur wichtigen Rolle von Sulfat in dieser Pflanzen-Mikroben Interaktion. Mittels eines chemischen Abbildungsverfahrens konnten wir demonstrieren, daß die Bakterien das Sulfat in einer 20-fach höheren Menge anreicherten, als die Pflanzenzellen. Zudem, konnten wir feststellen, daß der Schwefel aus dem aufgenommenen Sulfat zur Produktion des Nitrogenase-Enzymkomplexes benutzt wurde. Um die großen Mengen Sulfat, die dafür benötigt werden in ausreichender Weise zur Verfügung zu stellen, braucht es einen aktiven Transport von der Pflanze zu den Mikrosymbionten. Daher hat der Sulfattransporter hier eine so wichtige Funktion. Unsere Resultate zeigen auf, daß der Sulfatgehalt im Boden eine entscheidende Rolle im Zuge der Bodenfruchtbarkeit für die Agrikultur spielt und einen unmittelbaren Einfluß auf die symbiotische N-Fixierung hat.