Die Rolle der Mitochondrien in der symbiotischen Stickstofffixierung von Vicia faba L.

Abstract

Stickstoff z.B. als Bestandteil von Aminosäuren und DNA ist unabdingbar für den Aufbau und die Organisation von biologischen Systemen. Tiere und Pilze müssen Stickstoff in der Form von organischen Verbindungen, insbesondere Aminosäuren, die entweder direkt oder indirekt zu einem großen Teil pflanzlichen Ursprungs sind, mit der Nahrung aufnehmen. Als autotrophe Organismen können Pflanzen Aminosäuren aus Ammoniak (NH3) und organischen Kohlenstoffverbindungen produzieren. Das NH3 kann als NH4+ aus dem Boden aufgenommen oder aus bodenverfügbarem Nitrat in Pflanzen gebildet werden. Exzessive Nitratdüngung in der Landwirtschaft erhöht zwar die Wachstumsrate von Pflanzen, belastet jedoch das Grundwasser und fördert den Treibhauseffekt. Pflanzen aus der Familie der Leguminosen sind jedoch in der Lage, eine Symbiose mit Rhizobien (Knöllchenbakterien) einzugehen, welche innerhalb der Zellen von spezialisierten Pflanzenorganen, den Wurzelknöllchen, als Bakteroide vorliegen. Diese vollziehen die Sauerstoff-empfindliche und Energie-intensive Nitrogenase-Reaktion, durch die N2 direkt zu NH3 reduziert und der Pflanze zur Verfügung gestellt wird. Im Gegenzug versorgt die Pflanze die Bakteroide mit Photoassimilaten (organischen Kohlenstoffverbindungen). Diese sogenannte symbiotische Stickstofffixierung (SNF) macht die Düngung mit zusätzlichen Stickstoffverbindungen überflüssig. Die Übertragung der Nitrogenase-Reaktion auf Nicht-Leguminosen ist daher ein wichtiges Ziel der Pflanzenbiotechnologie. Es setzt jedoch ein dezidiertes Verständnis des Stoffwechsels pflanzlicher Knöllchenzellen voraus, insbesondere in Bezug auf die zellulären Anpassungen an die Präsenz der Bakteroide und die Aufnahme des bereitgestellten Ammoniums in den pflanzlichen Stoffwechsel. Eine essenzielle Funktion von Wurzelknöllchen und den darin befindlichen Zellen ist die Schaffung von hypoxischen Bedingungen, um eine O2-Inhibierung der Nitrogenase zu verhindern. Des Weiteren müssen die Knöllchenzellen organische Kohlenstoffverbindungen bereitstellen, damit die Bakteroide energiereiche Verbindungen für die Nitrogenasereaktion bilden können. Beides hat Auswirkungen auf die Mitochondrien in den Knöllchenzellen, die ebenfalls auf eine ausreichende Bereitstellung von O2 und organischen Kohlenstoffverbindungen angewiesen sind. Die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Dissertationsschrift belegen, dass Mitochondrien an die geänderten Substratverfügbarkeiten der Knöllchenzellen angepasst sind und ihren Metabolismus auf die Stickstoffassimilation ausgerichtet haben. Es ergaben sich konkrete Hinweise, dass sie Alanin, ein kontrovers diskutiertes Stickstofffixierungsprodukt der Bakteroide, umwandeln und so aktiv an der Stickstoffassimilation der Zelle partizipieren. In diesem Zusammenhang wurde auch die Rolle von Alanin im Knöllchenmetabolismus untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Bakteroide neben NH3 auch Alanin exportieren, wofür mehrere alternative Mechanismen zur Verfügung stehen. Die NH3 Assimilation innerhalb der Bakteroide könnte einen Geschwindigkeits-bestimmenden Schritt in der Produktion von Aminosäuren innerhalb des Knöllchens darstellen und Alanin damit als ein zentrales Intermediat des Knöllchenmetabolismus definieren. Diese Arbeit stellt eine Erweiterung des Stoffwechselmodells der Wurzelknöllchenzelle dar und rückt insbesondere die Rolle der Mitochondrien in der symbiotischen Stickstofffixierung in ein neues Licht.