Der Gedankengang überzeugt: Die Lebensgemeinschaft (Symbiose) zwischen den Pflanzenwurzeln und Pilzen, die so genannte Mykorrhiza, nimmt eine wichtige Rolle bei der Übersiedlung der Pflanzen vom Wasser auf das nährstoffärmere Festland vor rund 460 Millionen Jahren ein. Dabei profitiert die Pflanze vor allem von der besseren Verfügbarkeit von Mineralstoffen, insbesondere von Phosphat. Sind die Gene, welche die Phosphataufnahme steuern, einmal bekannt, dann können diese möglicherweise als molekulare Wegweiser für ein besseres Verständnis der Symbiose und deren Ursprung dienen. Einen solchen Wegweiser fand nun die Arbeitsgruppe um Marcel Bucher am Institut für Pflanzenwissenschaften (1) der ETH-Zürich im Kartoffelgenom. Ihre Arbeit über das StPT3-Gen erscheint heute im Wissenschaftsmagazin Nature (2).

Hefe als Testfeld

So klar der Gedankengang ist, so aufwändig ist, ihn zu belegen. Die Forschenden, die sich seit längerem mit der Phosphataufnahme bei Pflanzen beschäftigen, begannen ihre Arbeit auf der Ebene der Gene. Sie suchten in Genbanken der Kartoffel (Solanum tuberosum) Sequenzen welche als Vorlage für einen Phosphattransporter dienen. Das noch kaum bekannte StPT3-Gen (Solanum tuberosum Phosphat-Transporter 3) wurde im Folgenden genauer unter die Lupe genommen. Um seine Funktion zu überprüfen, schleusten die Forschenden das Gen in Hefezellen ein. "Es ist bekannt, dass pflanzliche Transportergene in Hefe als Vorlage für die Herstellung des Proteins dienen können und dass das Protein in der Hefemembran seine Funktion ausüben kann", erklärt Marcel Bucher seine Versuche. Die genetisch aufgerüsteten Hefezellen fingen schon bei Phosphatkonzentrationen zu wachsen an, bei denen die Kontrollzellen noch keine Reaktion zeigten. Ein klarer Hinweis darauf, dass StPT3 die zusätzliche Aufnahme von Phosphat ermöglicht.

Geteiltes Wurzelsystem

Was beim Hefeversuch natürlich nicht analysiert werden konnte, war die Verbindung des StPT3-Gens zur Mykorrhiza. Aufschluss bot in diesem Zusammenhang die Überprüfung, wo und unter welchen Bedingungen das Gen in der Ursprungspflanze aktiv ist. Wurde bei einer Kartoffelpflanze ein Teil des Wurzelsystems mit dem Mykorrhiza-Pilz infiziert, konnte im Pilz-Wurzel-Bereich StPT-3-Aktivität festgestellt werden. Eine solche fehlte jedoch bei den nicht infizierten Wurzeln derselben Pflanze. Doch die Forschenden wollten noch genauer wissen, wo ihr Gen aktiv ist. Die Experimente zeigten, dass StPT3 noch enger mit der Mykorrhiza verbunden ist. So wurde hohe Genaktivität insbesondere in Wurzelzellen mit stark verzweigten Einstülpungen von Pilzfäden - so genannten Arbuskeln - gefunden. Dieser Ort an der Schnittstelle zwischen Wurzel und Pilz lässt die Forschenden auch spekulieren, dass StPT3 eine Schlüsselrolle bei der Evolution der arbuskulären Mykorrhiza einnehmen könnte.

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