Schau schnell nach! Wissenschaftler knacken den Code der Dark-Web-Transaktionen im unterirdischen Königreich

Haben Sie die Geschichte „A Chinese Ghost Story“ gehört? In dieser Geschichte gibt es einen tausend Jahre alten Baumdämon, der sich im Gulan-Tempel verschanzt hat und eine Gruppe von Dienstmädchen rekrutiert hat, darunter auch Nie Xiaoqian. Der Baumdämon bot ihnen Schutz und im Gegenzug mussten Nie Xiaoqian und die anderen Dienstmädchen dem Baumdämon bei einigen Dingen helfen.

Wussten Sie, dass es in dieser scheinbar magischen Handlung tatsächlich ähnliche Vorgänge gibt? Bäume sind in der Natur wie Dryaden. Um Wasser und Nährstoffe besser aufnehmen zu können, versammeln sich an ihren Wurzeln eine Gruppe mikrobieller Gemeinschaften. Allerdings kooperieren die „Baumgeister“ und Mikroorganismen in der Natur auf freundschaftliche Weise miteinander. Sie schaden nicht nur anderen nicht, sondern können auch einige nützliche Pilze hervorbringen.

Obwohl der Baumdämon über große Kräfte verfügt, braucht er dennoch die Hilfe von Nie Xiaoqian und anderen. Ebenso sind die Wurzeln von Bäumen, insbesondere Pappeln, oft auf unterirdische Pilze und Bakterien angewiesen, um Wasser und Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor aufzunehmen.

Sind Sie nach all dem auch neugierig auf diese Art von „Transaktion“ geworden? Lassen Sie es uns unten gemeinsam herausfinden.

Wie funktioniert die Zusammenarbeit zwischen Pilzen und Wurzeln?

Es wird eine klare Arbeitsteilung zwischen Baumwurzeln und unterirdischen mikrobiellen Gemeinschaften geben, wobei verschiedene Bakteriengemeinschaften unterschiedliche Rollen spielen. Stickstofffixierende Bakterien sind beispielsweise gut darin, Stickstoff aus der Luft zu fixieren.

Diese mikrobiellen Gemeinschaften übertragen das aufgenommene Wasser und die Nährstoffe auf den Baum. Im Gegenzug bieten die Baumwurzeln den unterirdischen mikrobiellen Gemeinschaften Schutz und sondern als Nahrung Zucker ab.

Diese mikrobiellen Gemeinschaften sind die Mykorrhiza in der Natur, und die bekannten „leuchtenden Pilze“ wie Trüffel, Matsutake und Steinpilze sind eine davon. Zur Bildung dieser Mykorrhizen ist zunächst die Ausbildung von Mykorrhizen mit spezifischen Pflanzenwurzeln erforderlich, wobei ein Ende der Hyphen tief in die Pflanzenwurzeln eindringt und das andere Ende in den Boden reicht.

Mykorrhiza

Bildquelle: veer

Obwohl ihre Zusammenarbeit seit langem bekannt ist, ist der spezifische Bildungsmechanismus dieser Mykorrhizen noch immer unklar, d. h. wir wissen nicht, wie Pilze und Wurzeln einen kooperativen Mechanismus etablieren.

Um herauszufinden, wie diese „unterirdische Transaktion“ abläuft, verfolgt und untersucht das Team des jungen Forschers Zhang Feng von der Universität Lanzhou seit langem die Bildung der Pappelmykorrhiza. Dabei hoffte man herauszufinden, wie diese unterirdischen „Nie Xiaoqian“ mit den Baumdämonen in Kontakt treten, wie sie „Yang-Energie“ (Wasser und Nährstoffe) aufnehmen und wie sie die Yang-Energie an die Baumdämonen weitergeben.

Nach unermüdlichen Bemühungen veröffentlichte das Team des jungen Forschers Zhang Feng in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Francis Martin vom französischen Nationalen Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften und Umwelt (INRAE) schließlich einen Artikel in der Zeitschrift New Phytologist. Der Artikel mit dem Titel „Der Ektomykorrhiza-Basidiomycet Laccaria bicolor setzt eine GH28-Polygalacturonase frei, die eine Schlüsselrolle bei der Etablierung einer Symbiose spielt“ klärte schließlich die oben genannte Verwirrung.

Die Forschungsgruppe von Zhang Feng verwendete Pappeln als Forschungsobjekt, um den Interaktionsmechanismus zwischen der Ektomykorrhiza der Pappel und ihren Wirtspflanzen zu untersuchen. Dabei stellte sie fest, dass Mykorrhizapilze über ein riesiges unterirdisches Netzwerk Verbindungen zu den Wurzeln der Pappel herstellen können.

Wie gelangen also die Hyphen der Ectorhizobakterien in die Wurzeln der Pflanzen? Oder wie lautet das Passwort für ihre Untergrundtransaktionen?

Obwohl sowohl Myzel als auch Pflanzen zusammenarbeiten müssen, muss das Problem ihrer „Verbindung“ noch gelöst werden. Die Stelle, an der die Pilzhyphen mit der Pflanze in Kontakt kommen, befindet sich unter der Erde an den Wurzeln. Allerdings ist es für Hyphen keine leichte Aufgabe, erfolgreich in die Wurzeln von Pflanzen einzudringen: Einerseits müssen sie die Zellwände der Pflanzen durchbrechen und andererseits die Immunreaktion der Pflanzen minimieren.

Aus diesem Grund wählten die Ektomykorrhizapilze einen Kompromiss: Sie drangen nicht in das Innere der Pflanzenzellen ein, sondern existierten in der interstitiellen Matrix der Pflanzenzellen und bildeten eine Haskell-Netzwerkstruktur, also den Ort, an dem beide Parteien „Transaktionen“ durchführen.

Dieses Haskell-Netzwerk ähnelt einem Netzwerk aus Kanälen, über die Mykorrhiza und Wurzeln geheime Transaktionen im Untergrund durchführen. Die erste Schwierigkeit bei der Bildung des Haskell-Netzwerks ist jedoch die Zellwand. Nur durch das Durchbrechen der Zellwand kann die Interzellularmatrix erreicht werden.

Die Zellwände höherer Pflanzen bestehen hauptsächlich aus Pektin, Zellulose, Hemizellulose, Lignin und Protein, die miteinander vernetzt sind. Pektin kann, ähnlich einem „Vernetzungsmittel“, die Morphologie von Zellen aufrechterhalten, die mechanische Festigkeit von Zellen verbessern und an den physiologischen Aktivitäten von Zellen teilnehmen.

Frühere Studien haben gezeigt, dass der beim Wachstum der Pilzhyphen entstehende Druck die Zellwand vollständig zerstören kann. Diese Art des Eindringens ist relativ „gewalttätig“ und kann leicht zu einer Zellabstoßung führen.

Mit der Entwicklung der Molekularbiologie haben Wissenschaftler jedoch entdeckt, dass Mykorrhiza bei ihrer Bildung mithilfe eines leistungsstarken Assistenten – den Zellwandhydrolasen (PCWDEs) – auf relativ sanfte Weise in die Zellwand eindringen kann. Unter ihnen dürfte die Polygalacturonase (Endoenzym) der entscheidende Helfer für die Hyphen sein, um die Zellwände der Wurzeln zu durchbrechen.

Myzel

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Frühere Studien haben gezeigt, dass Polygalacturonase eine wichtige Rolle beim Durchbrechen (Verdauen und Abbauen) der Zellwände von Pflanzen durch viele pathogene Pilze spielt. Dieser Befund konnte bei Mykorrhiza jedoch nicht bestätigt werden.

Wie lässt sich also wissenschaftlich beweisen, dass Endonukleasen am Durchbruchsprozess der Hyphen durch die Zellwand beteiligt sind und dabei eine wichtige Rolle spielen?

Dies hängt von der Expression (Aktivität) von Endonukleasen während der Mykorrhizabildung ab. Wenn das Enzym relativ aktiv ist und während des Eindringens der Hyphen in die Zellwand eine gute Expression aufweist, kann bestätigt werden, dass es bei diesem Prozess eine Rolle spielt.

Das Experiment ergab, dass während der Mykorrhizabildung zwischen Ektomykorrhizapilzen und Pappel die Reaktion der Endonuklease relativ aktiv war. Im Vergleich zum Expressionsniveau auf den Hyphen wurde die Endonuklease während des Eindringens in die Zellwand um das 2,3-fache hochreguliert (erhöht).

Dies bestätigt aus experimenteller Sicht, dass Endonuklease ein wichtiger Helfer des Myzels ist. Es ist wie ein Meisterverhandlungsführer, der mit der Zellwand verhandelt und sie dazu bringt, weicher zu werden, damit das Myzel in die Wurzeln der Pappel eindringen kann.

Der spezifische Prozess besteht darin, dass die Endonuklease dabei hilft, das Pektin in der Pappelzellwand zu modifizieren, wodurch die Zellwand weicher wird, was dem Graben eines Tunnels ähnelt, sodass die Hyphen leichter in die Zellwand eindringen können. Dieser Modus ist schonender als das Entfernen von Zellwänden.

Der Transaktionsprozess des unterirdischen Dark Web

Im vorherigen Teil wurde der Vorgang des Eindringens von Hyphen in Pflanzenzellen mit Hilfe von Endonukleasen direkt nachgewiesen. Gibt es jedoch andere Faktoren, die diesen Prozess beeinflussen? Um diese Frage zu klären, müssen wir sie auch von der anderen Seite überprüfen, d. h. ohne diese Endonuklease können die Pilzhyphen nicht in die Zellwand eindringen. Auf diese Weise können wir eine vollständigere experimentelle Logik erhalten.

Wie lässt sich das konkret erreichen? Dies erfordert den Einsatz eines fortgeschrittenen Experiments – eines RNA-Interferenz-Experiments. Mithilfe von RNA-Interferenz-Experimenten können wir die Expression der Endonuklease reduzieren und sie „ohne Anstrengung arbeiten“ lassen.

Gleichzeitig müssen wir zur Beantwortung der oben genannten Fragen eine Reihe fortschrittlicher Methoden und Geräte einsetzen – Immunlokalisierung und immunkolloidale Goldelektronenmikroskopie. Mit Hilfe dieser beiden „Zauberwaffen“ können wir den gesamten Ablauf des Experiments verfolgen.

Auf dem Bild sind die mykorrhizierten Pappelwurzeln zu sehen, das heißt, die Hyphen sind tief in die Pappelwurzeln eingedrungen. Grün stellt die Bindung des Pilzes an die Zellwand dar und Rot repräsentiert die Pappelzellen.

Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Zhang Feng

Aus der obigen Abbildung können wir ersehen, dass die Hyphen, wenn der RNA-Interferenztest (ab) nicht durchgeführt wurde, nach dem Durchbrechen der Zellwand begannen, an den Wurzeln der Pappel eine Handelsnetzwerkplattform – das Hastelloy-Netzwerk – zu bilden. Mykorrhizen nehmen Wasser und Nährstoffe (hauptsächlich Stickstoff) auf und geben sie dann mithilfe dieses Haskell-Netzwerks an die Pflanzen weiter.

Bei der Durchführung von RNA-Interferenz-Experimenten wurde die Aktivität der Endonuklease reduziert und die Hyphen konnten nicht in die Zellwand eindringen, um das Hastelloy-Netzwerk zu bilden.

Dies demonstriert sowohl positiv als auch negativ die Rolle der Endonuklease beim Eindringen in die Zellwand.

Bildquelle: Zhang Feng

Darüber hinaus unterscheidet sich auch der Vorgang des Eindringens der Endonuklease in die Zellwand stark vom vorherigen Modell. Frühere Studien haben gezeigt, dass Hyphen die Zellwand beim Eindringen in sie vollständig zerstören, ähnlich einer gewaltsamen Zerstörung.

Dieses Experiment ergab jedoch, dass die Hyphen mit Hilfe von Endonukleasen einen Tunnel in die Zellwand gruben und die Struktur der Zellwand beim Eindringen in die Zellwand nicht zerstörten. Dieser „sanfte“ Ansatz löst wahrscheinlich keine zelluläre Immunabstoßung aus, sodass die Zellen ihn besser akzeptieren können. Es ist ein neues Modell.

Der unterirdische Transaktionscode zwischen Pilzen und Wurzeln wurde erfolgreich geknackt, was eine wichtige Rolle bei der Förderung der menschlichen Nutzung von Mykorrhizen spielen könnte, und wir freuen uns auch darauf, dass diese Forschung der Menschheit in Zukunft noch mehr Vorteile bringt!

Hinweis: Lateinische Namen sollten im Text kursiv gedruckt werden

Quellen:

Zhang F., Labourel A., Haon M. et al. 2022. Der ektomykorrhizale Basidiomycet Laccaria bicolor setzt eine GH28-Polygalacturonase frei, die eine Schlüsselrolle bei der Symbiosebildung spielt. New Phytologist, 233: 2534–2547

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhao Xumao (Nachwuchsforscher, Universität Lanzhou)

Hersteller: China Science Expo