Mutanten als Hilfsmittel bei der molekularen Analyse

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Mit Ausnahme der gezielten Transformation mit bestimmten Genen liefern alle bisher genannten Ansätze in erster Linie Korrelationen. Die Aktivierung eines bestimmten Gens, das Auftreten eines bestimmten Proteins korreliert (zeitlich und/oder räumlich) mit der Ausbildung der Mykorrhizasymbiose. Ist deswegen dieses Gen oder Protein auch tatsächlich wichtig für die Symbiose?

Ein direkter Weg zu funktionell wichtigen Faktoren führt über die Untersuchung von Mutanten: Eine derartige Analyse startet mit einer Gruppe von Pflanzen, bei denen jeweils ein bestimmtes Gen mutiert (verändert) ist. Meist verursacht eine solche Veränderung den kompletten Ausfall des entsprechenden Genprodukts. Innerhalb der Mutantengruppe werden Individuen gesucht, die eine bestimmte Fähigkeit – in unserem Fall die Fähigkeit zur Ausbildung der Mykorrhizasymbiose – nicht mehr besitzen. Der bei diesen Individuen verloren gegangene Faktor ist dann offenbar wichtig für die Symbiose. Es kommt "nur" noch darauf an, das mutierte Gen zu identifizieren. Neben der Analyse des jeweils geschädigten Gen, wird bei den Mutanten auch ganz allgemein nach molekularen Veränderungen im Vergleich zu den nicht-mutierten Pflanzen gesucht. Derartige Studien wurden 1997 von Martin-Laurent und Mitarbeiter und 1999 von Lapopin und Mitarbeiter an Mutanten der Erbse auf der Transkriptom-Ebene durchgeführt.

Mittlerweile sind für die Erbse (Pisum sativum) (Duc und Mitarbeiter 1989, Gianinazzi-Pearson und Mitarbeiter 1991, Jacobi und Mitarbeiter 2003a, Jacobi und Mitarbeiter 2003b), die Luzerne (Medicago sativa, Bradbury und Mitarbeiter 1991), Medicago truncatula (Calantzis und Mitarbeiter 1998, Ané und Mitarbeiter 2004), Lotus japonicus (Wegel und Mitarbeiter 1998) und die Tomate (Lycopersicon esculentum) (Barker und Mitarbeiter 1998, David-Schwartz und Mitarbeiter 2003) eine ganze Reihe von Mutanten beschrieben, die bei der Ausbildung verschiedener Stadien der Arbuskulären Mykorrhiza gestört sind.

Des weiteren kann eine Mutante der Tomate offensichtlich einen für die Sporenkeimung des Pilzes notwendigen Faktor nicht mehr produzieren. Diese Pflanze lässt sich nämlich problemlos von Pilzhyphen aus kolonisieren, aber nicht von Pilzsporen (David-Schwartz und Mitarbeiter 2001). Bei Erbse und Medicago truncatula gibt es ferner Mutanten, die besonders gut von Arbuskulären Mykorrhizapilzen kolonisiert werden (Morandi und Mitarbeiter 2000).

Bei vielen der Mutanten ist offensichtlich die Erkennung zwischen den beiden Symbiosepartnern gestört (Kistner und Parniske 2002). Besonders deutlich wird dies bei einer von Gollotte und Mitarbeitern 1993 beschriebenen Erbsenmutante, bei der die Pflanze auf Arbuskuläre Mykorrhizapilze mit ihrem Abwehrarsenal gegen pathogene Pilze reagiert. In einigen Fällen konnte bei solchen Mutanten gezeigt werden, dass die betroffenen Gene an der Weiterleitung und Verstärkung von Signalen im Rahmen von Erkennungsprozessen beteiligt sind (Bonfante und Mitarbeiter 2000, Stracke und Mitarbeiter 2002, Radutoiu und Mitarbeiter 2003, Levy und Mitarbeiter 2004). Interessanterweise sind viele Erbsen-, Lotus- oder Medicagomutanten sowohl bei der Ausbildungen der Knöllchenbakteriensymbiose, als auch bei der Ausbildung der Arbuskulären Mykorrhizasymbiose gestört. Die jeweils veränderten Gene sind offenbar für die Entwicklung beider Symbiosen wichtig; beide Symbiosen beruhen also zumindest teilweise auf denselben molekularen Mechanismen. Für eine solche Parallelität spricht auch die Beobachtung dass in der Luzerne (Medicago sativa) eine Reihe von Pflanzengenen (für sogenannte Noduline) sowohl in den frühen Stadien der Mykorrhizasymbiose als auch der Knöllchenbakteriensymbiose aktiv ist (van Rhijn und Mitarbeiter 1997), sowie weitere Parallelen zwischen der Knöllchen- und der Mykorrhizasymbiose (Kosuta und Mitarbeiter 2003).

Bei dieser Mutante von Lotus japonicus gelingt es dem Pilz zwar, einen ersten Kontakt mit der Pflanze auszubilden, zu weiteren Symbiosestrukturen kommt es aber nicht. Die molekularen Untersuchungen ergaben, dass eine Proteinkinase bei dieser Mutante verändert ist. Proteinkinasen sind an verschiedenen intrazellulären Signalketten beteiligt. Offensichtlich ist die Signalkette mit der mutierten Proteinkinase für die Ausbildung der Symbiose notwendig.
Quelle:

S. Stracke, C. Kistner, S. Yoshida, L. Mulder, S. Sato, T. Kaneko, S. Tabata, N. Sandal, J. Stougaard, K. Szczyglowski,  M. Parniske (2002)

A plant receptor-like kinase required for both bacterial and fungal symbiosis

Nature 417, 959–962 NCBI (PMID: 12087405)

Pilzstrukturen bei einer Mutante von Lotus japonicus: BildbeschreibungQuelleText