Molekulare Unterschiede zwischen mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten Pflanzenwurzeln

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Auf drei verschiedenen molekularen Ebenen unterscheiden sich mykorrhizierte und nicht-mykorrhizierte Pflanzenwurzeln: Im Transkriptom, im Proteom und im Metabolom. Bis vor kurzem hatte die Suche nach solchen Unterschieden im Transkriptom große Vorteile gegenüber den anderen beiden Möglichkeiten. Durch neuartige Methoden wird die Bedeutung des Proteoms und des Metaboloms in den nächsten Jahren aber deutlich steigen.

Die bisher verfügbaren Meßmethoden erlaubten im Metabolom lediglich die Untersuchung und Identifizierung von Metaboliten, die in größerer Menge auftreten und die sich zwischen mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten Wurzeln deutlich unterschieden. Hier ist vor allem eine Reihe von Apocarotenoiden zu nennen, die in den mykorrhizierten Wurzeln einiger Pflanzen in großen Mengen auftreten (Klingner und Mitarbeiter 1995, Maier und Mitarbeiter 1995, Fester und Mitarbeiter 2002a). Morandi (1996) bietet eine Übersicht über weitere Metabolite, die speziell in mykorrhizierten Wurzeln auftreten. Insbesondere sind hier verschiedene Isoflavonoide zu erwähnen, die im Rahmen der Abwehrreaktion der Pflanze gegenüber Krankheitserregern eine Rolle spielen. Harrison und Dixon zeigten 1993 bei Medicago truncatula, dass das Isoflavonoid Medicarpin, ein bekanntes Phytoalexin, nach Kolonisierung durch Mykorrhizapilze vorübergehend leicht ansteigt, während im weiteren Verlauf der Symbiose der entsprechende Biosyntheseweg deutlich gehemmt wird (siehe auch Larose und Mitarbeiter 2002). Durch die Einführung neuer Analyseverfahren und verbesserter statistischer Methoden wird in den kommenden Jahren auch die Untersuchung von Metaboliten möglich werden, die entweder nur in geringen Mengen vorhanden sind, oder die sich in noch geringerem Maße zwischen mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten Wurzeln unterscheiden. Als ein Beispiel für solche in sehr geringen Mengen vorkommenden Metabolite sei die Gruppe der Pflanzenhormone erwähnt, aus der unter anderem das Hormon Jasmonat in mykorrhizierten Wurzeln in erhöhter Menge vorkommt (Hause und Mitarbeiter 2002).

Untersuchungen auf der Proteom-Ebene ergaben bisher nur in den seltensten Fällen genaue Sequenzen der in unterschiedlicher Menge vorhandenen Proteine (Benabdellah und Mitarbeiter 2000, Fester und Mitarbeiter 2002b, Slezack und Mitarbeiter 2001). In diesen Fällen zeigten die gefundenen Proteine Ähnlichkeiten zu einer Chitinase (Slezack und Mitarbeiter 2001), beziehungsweise zu einer H+-ATPase (Benabdellah und Mitarbeiter2000). Die meisten anderen Untersuchungen beschränkten sich auf die Detektion unterschiedlicher Proteinmuster beim Vergleich kolonisierter und nicht-kolonisierter Wurzeln (Pacovsky 1989, Schellenbaum und Mitarbeiter 1992, Arines und Mitarbeiter 1993, Garcia-Garrido und Mitarbeiter 1993, Dumas-Gaudot und Mitarbeiter 1994, Simoneau und Mitarbeiter 1994, Samra und Mitarbeiter 1997, Benabdellah und Mitarbeiter 1998, Dassi und Mitarbeiter 1999, Repetto und Mitarbeiter 2003). Wyss und Mitarbeitern gelang es 1990 allerdings, über Versuche mit Antikörpern eine Ähnlichkeit der beobachteten Mykorrhiza-spezifischen Proteine mit Nodulinen wahrscheinlich zu machen. Bei Medicago truncatula ist mittlerweile eine Vielzahl von Teilsequenzen des Transkriptoms (EST-Sequenzen) vorhanden. Dank dieser Sequenzdaten wird es in Zukunft wesentlich einfacher werden, mit Hilfe der MALDI-TOF Analyse Sequenzdaten der in unterschiedlicher Menge vorhandenen Proteine zu erhalten.

Das pflanzliche Transkriptom wurde mit einer ganzen Reihe von Methoden nach unterschiedlich exprimierten Genen durchsucht (Martin-Laurent und Mitarbeiter 1997, Burleigh und Harrison 1997, Murphy und Mitarbeiter 1997, Krajinski und Mitarbeiter 1998, van Buuren und Mitarbeiter 1999, Journet und Mitarbeiter 2002, Liu und Mitarbeiter 2003, Wulf und Mitarbeiter 2003; siehe auch Abbildung auf dieser Seite). Bei diesen generellen Suchmethoden, beziehungsweise bei gezielten Ansätzen, wurden unter anderem Gene beobachtet, die für den Aufbau des Cytoskeletts (Rhody und Mitarbeiter 2003), für den Transport von Wasser (Krajinski und Mitarbeiter 2000), für die Biosynthese der oben beschriebenen Isoprenoide (Hans und Mitarbeiter 2004, Walter und Mitarbeiter 2002), für die Regulation der Sauerstoffkonzentration (Uchiumi und Mitarbeiter 2002) verantwortlich sind. Wie bei der Untersuchung des Proteoms ergaben sich bei der Untersuchung des Transkriptoms Hinweise auf Parallelen zur Knöllchensymbiose (Chabaud und Mitarbeiter 2002), auf die im Kapitel zu den Mutanten noch näher eingegangen werden wird.

Aktivierte Gene: In dieser Abbildung sind einige Gene markiert, von denen in mykorrhizierten Wurzeln viele RNA-Moleküle vorliegen, in nicht-mykorrhizierten Wurzeln hingegen wenige. Die Identifizierung solcher Gene ist ein erster Schritt um Faktoren und Mechanismen aufzuklären, die für die Entwicklung der Mykorrhizasymbiose wichtig sind.
Nicht-aktivierte Gene: Beim Großteil der untersuchten Gene unterscheidet sich die Menge der vorhandenen RNA-Moleküle kaum zwischen mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten Wurzeln. Ein Teil von ihnen ist in dieser Abbildung markiert.
Quelle: Dr. Franziska Krajinski, Universität Hannover
Nicht-mykorrhizierte Wurzeln: Im Versuch wurde derselbe Filter zunächst mit radioaktiv markierter cDNA aus nicht-mykorrhizierten Wurzeln hybridisiert, anschließend mit radioaktiv markierter cDNA aus mykorrhizierten Wurzeln. In der Abbildung sehen sie Ergebnisse der beiden Hybridisierungen übereinander.
Mykorrhizierte Wurzeln: Im Versuch wurde derselbe Filter zunächst mit radioaktiv markierter cDNA aus nicht-mykorrhizierten Wurzeln hybridisiert, anschließend mit radioaktiv markierter cDNA aus mykorrhizierten Wurzeln. In der Abbildung sehen sie Ergebnisse der beiden Hybridisierungen übereinander.
Vergleich der aktiven Gene in Medicago-Wurzeln mit und ohne Kolonisierung durch einen Mykorrhizapilz: Nicht alle Gene eines Organismus sind zur gleichen Zeit in gleichem Maße aktiv. Einige werden in großem Umfang in RNA-Moleküle umgeschrieben und in Proteine übersetzt, andere kaum. Der abgebildete Filter veranschaulicht dieses unterschiedliche Ausmaß des Umschreibens verschiedener Gene in RNA-Moleküle (das Ausmaß ihrer Expression). Er erlaubt zusätzlich einen Vergleich zwischen mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten Wurzeln.
Auf dem abgebildeten Filter sind Abschnitte einiger Gene von Medicago truncatula punktförmig aufgetragen. (Jeder einzelne Punkt entspricht einem anderen Gen.) Die RNA aus Medicago-Wurzeln (mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten) wurde in cDNA umgeschrieben und dabei gleichzeitig radioaktiv markiert. (Das Umschreiben in cDNA hat ausschließlich praktische Gründe.) Bei der Hybridisierung dieser markierten cDNA mit der DNA auf dem Filter binden jeweils nur die passenden cDNA-Moleküle an ihre Genabschnitte. Je mehr RNA-Moleküle von einem Gen vorhanden sind, umso mehr markierte cDNA-Moleküle binden an die angebotenen Genabschnitte und umso stärker erscheint die Markierung des entsprechenden Punktes. Dunkle Punkte entsprechen also aktiven Genen (starke Expression, viel RNA-Moleküle), helle Punkte wenig aktiven Genen (schwache Expression, wenig RNA-Moleküle). Beim Vergleich zwischen mykorrhizierten und nicht-mykorrhizierten Wurzeln erscheinen einige Gene, die durch die Mykorrhizierung offensichtlich aktiviert werden.
Die Gelbfärbung mykorrhizierter Wurzeln: Bei vielen Pflanzen zeigen kolonisierte Wurzeln gegenüber nicht-kolonisierten eine mehr oder weniger starke Gelbfärbung. In dieser Abbildung sind rechts kolonisierte und links nicht-kolonisierte Wurzeln von Ornithogalum umbellatum, dem Milchstern, einander gegenüber gestellt. Die gelblich-bräunliche Färbung der kolonisierten Wurzeln ist deutlich erkennbar.
Die Gelbfärbung mykorrhizierter Wurzeln: Den Unterschied zwischen einer kolonisierten (oben) und einer nicht-kolonisierten (unten) Wurzel erkennt man bei dieser stereomikroskopischen Aufnahme besonders gut.
Querschnitt durch eine nicht-mykorrhizierte Wurzel: Bei dieser fluoreszenzmikroskopischen Aufnahme des Querschnitts einer nicht-mykorrhizierten Wurzel fluoreszieren lediglich Teile des Zentralzylinder und der Epidermis der Wurzel.
Querschnitt durch eine mykorrhizierte Wurzel: Im Vergleich zur fluoreszenzmikroskopischen Aufnahme des Querschnitts einer nicht-mykorrhizierten Wurzel kommt bei der mykorrhizierten Wurzel noch eine starke Fluoreszenz im inneren Bereich der Wurzelrinde hinzu. (In diesem Bereich erfolgt auch die intensivste Ausprägung symbiotischer Strukturen.) Verantwortlich für die gelbe Fluoreszenz, ebenso wie für die Gelbfärbung der Wurzeln ist das Apocarotenoid "Mykorradicin". In der Abbildung sind die chemische Formel und das Absorptionsspektrum dieser mykorrhizaspezifischen Verbindung dargestellt. Der genaue Zusammenhang zwischen der Biosynthese dieser Verbindung und dem Ablauf der Mykorrhizasymbiose ist noch nicht bekannt.
Literatur:
Unterschiede bei der Gen-Expression: BeschreibungAktivierte GeneNicht-aktivierte GeneQuelleText

Die Gelbfärbung mykorrhizierter Wurzeln: BeschreibungEinzelne WurzelnQuerschnitt nicht-mykorrhizierte WurzelQuerschnitt mykorrhizierte WurzelLiteraturText