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Stickstoff ist für das Wachstum von Pflanzen unverzichtbar. Doch aus der Luft, in der Stickstoff reichlich vorhanden ist, können sie ihn nicht aufnehmen. Dazu sind der gängigen Annahme zufolge nur einige Bakterien in der Lage. Eine neue Studie zeigt nun, dass eine Meeresalge eine so enge Symbiose mit einem stickstofffixierenden Cyanobakterium aufgebaut hat, dass sich das Bakterium zu einem neuen Organell entwickelt hat, dem die Forschenden den Namen Nitroplast gaben. Ähnlich wie Mitochondrien und Chloroplasten sind die Nitroplasten in den Stoffwechsel der Zelle eingebunden und werden bei der Zellteilung gleichmäßig auf die Tochterzellen aufgeteilt. Die Ergebnisse ermöglichen einen Einblick in die Evolution der Organellen und könnten zudem neue Wege in der Landwirtschaft eröffnen.
Pflanzen betreiben Photosynthese und wandeln dabei Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Zucker und Sauerstoff um. Diese Fähigkeit verdanken sie einer Gruppe von Zellorganellen, den sogenannten Chloroplasten. Dabei handelt es sich um ehemals selbstständige Bakterien, die vor rund 1,5 Milliarden Jahren in die Zellen der ersten Pflanzenvorläufer aufgenommen wurden und nach und nach ihre Eigenständigkeit verloren. Ähnlich verlief es mit den Mitochondrien, den Kraftwerken unserer Zellen, die vor rund zwei Milliarden Jahren integriert wurden und damit den Grundstein für die Entwicklung aller Eukaryoten legten.
Stickstoffbindende Meeresalgen
Nun ist ein Team um Tyler Coale von der University of California in Santa Cruz auf eine weitere Art von Zellorganellen gestoßen. Da diese ermöglichen, Stickstoff aus der Luft zu fixieren, gaben die Forschenden ihnen den Namen Nitroplasten. Ähnlich wie Mitochondrien und Chloroplasten sind auch die Nitroplasten aus symbiotischen Bakterien entstanden. Bekannt war bereits, dass verschiedene Pflanzen, darunter Klee, Lupinen und Bohnen, Symbiosen mit stickstofffixierenden Bodenmikroben eingehen, die in ihren Wurzeln leben und die Pflanze mit Stickstoff versorgen.
In Meeresalgen der Art Braarudosphaera bigelowii, die Coale und sein Team nun untersucht haben, geht die Symbiose aber noch deutlich weiter: Wie die Forschenden nachwiesen, sind symbiotische Cyanobakterien so eng in den Stoffwechsel der einzelligen Algen eingebunden, dass sie die Schwelle zu Organellen überschritten haben. „Das stickstofffixierende Cyanobakterium Candidatus Atelocyanobacterium thalassa, auch genannt UCYN-A, wurde zuvor als Endosymbiont der Alge beschrieben“, berichtet das Team.
Enges Zusammenspiel
Mit Hilfe von dreidimensionalen Röntgenbildern wollte das Team diese Symbiose näher erforschen – und stellte dabei fest, dass der Zellzyklus und das Wachstum von Alge und UCYN-A genau aufeinander abgestimmt sind. Bei der Zellteilung werden die in der Zelle vorhandenen Cyanobakterien gleichmäßig auf die Tochterzellen aufgeteilt. „Das ist genau das, was mit Organellen passiert“, sagt Coales Kollege Jonathan Zehr. „Wenn man sich die Mitochondrien und den Chloroplasten anschaut, ist es dasselbe: Sie wachsen mit der Zelle mit.“
Zudem fand das Team heraus, dass das Cyanobakterium UCYN-A zahlreiche Proteine aus seiner Wirtszelle importiert, statt sie selbst zu produzieren. Dabei markiert die Zelle bestimmte Proteine auf spezifische Weise und kennzeichnet sie so für den Transport zum Nitroplasten. „Das ist eines der Kennzeichen dafür, dass sich etwas von einem Endosymbionten zu einem Organell entwickelt“, erklärt Zehr. „Die integrierten Prokaryoten fangen an, Teile ihrer eigenen DNA zu verlieren. Ihre Genome werden immer kleiner und sie werden davon abhängig, lebenswichtige Proteine von der Mutterzelle zu erhalten.“
Evolutionäre Einblicke
Ramon Massana vom Institut für Meereswissenschaften in Barcelona, der nicht an der Studie beteiligt war, schreibt in einem begleitenden Kommentar, der ebenfalls in der Fachzeitschrift Science erschienen ist, dass es oft schwierig ist, die Grenze zwischen einem Endosymbionten und einem Organell zu ziehen. „Dennoch sprechen die tiefe zelluläre Integration von UCYN-A in den Wirt und seine starke genetische Abhängigkeit dafür, dass der Nitroplast von B. bigelowii in die kurze Liste der durch Endosymbiose entstandenen Organellen aufgenommen werden kann“, so Massana. „Die Evolutionsgeschichte des Nitroplasten ist analog zu der von Mitochondrien und Chloroplasten, einschließlich Genverlust, koordinierter Teilung und Unterordnung unter den Wirt.“
Evolutionär sind die Nitroplasten im Vergleich zu den mehr als eine Milliarde Jahre alten Mitochondrien und Chloroplasten noch jung: Wahrscheinlich haben sie sich vor rund 100 Millionen Jahren entwickelt. Damit geben sie einen Einblick in die Entwicklung neuer Organellen. Auch für die Landwirtschaft könnte die Entdeckung von Bedeutung sein. Seit langem versuchen Forschende bereits, Nutzpflanzen die Fähigkeit zu verleihen, den Stickstoff aus der Luft zu verwerten. „Das von uns entdeckte System bietet eine neue Perspektive auf die Stickstofffixierung und könnte Anhaltspunkte dafür liefern, wie Nitroplasten in Nutzpflanzen eingebaut werden könnten“, sagt Coale.
Quelle: Tyler Coale (University of California, Santa Cruz, USA) et al., Science, doi: 10.1126/science.adk1075
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