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Neuer Eisentransporter bei Getreide-assoziierten Bakterien entdeckt

Bakterielles Gramibactin versorgt Pflanzen mit lebensnotwendigem Element
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07.09.2018
Junge Maispflanzen wurden mit eisenfreiem Gramibactin (vier Blätter links) und mit einem Eisen-Gramibactin-Komplex behandelt. Die dunklere Grünfärbung der vier rechten Blätter zeigt, dass die Pflanzen das Eisen aus dem Komplex zur verstärkten Synthese von Chlorophyll nutzen können.
Foto: Ron Hermenau / HKI Junge Maispflanzen wurden mit eisenfreiem Gramibactin (vier Blätter links) und mit einem Eisen-Gramibactin-Komplex behandelt. Die dunklere Grünfärbung der vier rechten Blätter zeigt, dass die Pflanzen das Eisen aus dem Komplex zur verstärkten Synthese von Chlorophyll nutzen können.
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Ein Forscherteam aus Jena hat ein neues Siderophor ("Eisenträger") entdeckt. Das als Gramibactin bezeichnete Molekül wird von Bakterien gebildet, die im Wurzelbereich von Mais und Weizen leben. Es bindet schwerlösliches Eisen aus der Umgebung und bringt es in den bakteriellen Stoffwechsel ein. Auch die Getreidepflanzen profitieren davon, da sie das von den Bakterien mobilisierte Eisen aufnehmen und mehr Chlorophyll bilden können. Gramibactin bindet Eisen auf eine aus der Natur bisher nicht bekannte Art. Die im Fachjournal Nature Chemical Biology veröffentlichte Studie beleuchtet das komplexe Zusammenspiel des Wurzelmikrobioms mit der Wirtspflanze und dessen Bedeutung für die menschliche Ernährung.

Das Wissenschaftler-Team um Christian Hertweck fand im Genom des Bakteriums Paraburkholderia graminis Hinweise auf ein neuartiges Eisenaufnahmesystem. Die Forscher isolierten daraufhin ein ringförmiges Molekül, das zur Substanzfamilie der Lipodepsipeptide gehört. Sie gaben ihm den Namen Gramibactin, da die Erzeugerbakterien mit den Wurzeln von Süßgräsern - den Gramineen - vergesellschaftet sind.

Gramibactin fixiert Eisen(III)-Ionen mit einer sehr hohen Bindekraft. Als Bindungspartner dienen zwei ungewöhnliche N-Nitrosohydroxylamin-Gruppierungen, die aus der Ringstruktur herausragen und bislang noch nicht in natürlichen Eisentransportern beobachtet wurden. Dies macht Gramibactin zum ersten Vertreter einer neuen Klasse von Siderophoren.

Getreidepflanzen profitieren

Die Forscher prüften schließlich, ob Gramibactin tatsächlich die Eisenversorgung von Pflanzen verbessern kann, in deren Nähe es vorkommt. Als Maß hierfür verwendeten Sie die Bildung von Chlorophyll. Der für die Photosynthese benötigte grüne Pflanzenfarbstoff kann nur dann synthetisiert werden, wenn genügend Eisen vorhanden ist. Tatsächlich konnte das Team demonstrieren, dass Maispflanzen bis zu 50 % mehr Chlorophyll bildeten, wenn die Nährlösung den Gramibactin-Eisen-Komplex enthielt.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch bakterielle Aktivitäten bereitgestelltes Eisen das Pflanzenwachstum günstig beeinflussen kann. Am Beispiel von Mais und Weizen, zwei der wichtigsten Getreidearten für die menschliche Ernährung, lässt sich das Ausmaß dieser Erkenntnisse erahnen. Eine ausbalancierte, natürliche Besiedelung des Wurzelraumes mit Mikroorganismen - das sogenannte Wurzelmikrobiom - ist ein wesentlicher Faktor für Pflanzenwachstum und hohe Erträge.

"Es ist immer wieder faszinierend zu sehen, wie vielfältig chemische Probleme in der Natur gelöst werden", sagt Hertweck und fügt hinzu: "Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse einen Beitrag dazu leisten, die Fitness und Gesundheit dieser wichtigen Kulturpflanzen auf natürlichem Weg zu steigern."

Die Autoren der Studie arbeiten im Sonderforschungsbereich ChemBioSys zusammen. In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Programm arbeiten Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität, des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie und weiterer Institutionen gemeinsam an der Aufklärung von Signalwegen in komplexen Lebensgemeinschaften. Häufig sind mehrere Arten an der Synthese von Substanzen beteiligt oder ziehen unterschiedlichen Nutzen daraus. Die Erforschung solcher Multipartner-Systeme und der sie stabilisierenden Mechanismen sind ein Forschungsschwerpunkt in Jena.

Original-Publikation:
Hermenau R, Ishida K, Gama S, Hoffmann B, Pfeifer-Leeg M, Plass W, Mohr JF, Wichard T, Saluz HP, Hertweck C (2018) Gramibactin is a bacterial siderophore with a diazeniumdiolate ligand system. Nature Chemical Biology 14, 841-843.

Der Sonderforschungsbereich ChemBioSys

Im Sonderforschungsbereich ChemBioSys untersuchen Biologen, Chemiker und Physiker gemeinsam fundamentale Kontrollmechanismen in komplexen Biosystemen, die unser tägliches Leben beeinflussen. Hierzu studieren sie repräsentative Biosysteme mit Bakterien, Pilzen, Mikroalgen, Pflanzen, Tieren und Humanzellen in steigender Komplexität. Es werden neue Moleküle erforscht und Strategien erprobt, um die Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften zu beeinflussen. Am SFB ChemBioSys sind Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie beteiligt. Das Programm wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Hertweck
Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e. V.
Hans-Knöll-Institut (HKI)
Tel.: 03641 / 5321101
E-Mail:



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