Woran denken Sie, wenn Sie das Wort Hämoglobin hören? Wenn Sie so etwas wie ich sind, dann fallen Ihnen Blut-, Sauerstoff-, Eisen- und medizinische Tests ein. Die Geschichte der Hämoglobine hat jedoch viel mehr zu bieten als die Kreislaufsysteme von Wirbeltieren. Hämoglobine und ähnliche Moleküle kommen in einer Vielzahl anderer Organismen vor, darunter auch in Pflanzen. Eine Untergruppe der in Pflanzen vorkommenden Hämoglobine, bekannt als Leghämoglobine, sind bekanntermaßen für die kommerzielle und wirtschaftliche Nutzung von wesentlicher Bedeutung ökologisch wichtige Symbiosen von Leguminosen mit stickstoffbindenden Bakterien. In ihrer jüngsten Veröffentlichung in Annals of Botany, Du, Gao und Kollegen von der Fujian Agriculture and Forestry University in China untersuchen das Vorhandensein und die Expression von Hämoglobin-Genen in Sojabohnen. Die von ihnen präsentierten Daten heben eine der Möglichkeiten hervor, wie Sojabohnen wahrscheinlich die Effizienz der von ihr gebildeten stickstofffixierenden Symbiosen maximieren, und wie dieser Wechselwirkung geholfen werden kann, auf dem Feld am besten zu funktionieren.
Leghämoglobine werden in den stickstofffixierenden Knollen von Leguminosen produziert. Sie dienen dazu, den stickstofffixierenden Bakterien in diesen Knötchen geringe Mengen an Sauerstoff zuzuführen. Dieser Prozess wird streng kontrolliert, da zu viel Sauerstoff die richtige Stickstofffixierung hemmt. Diese Leghämoglobine verleihen stickstofffixierenden Knötchen vieler Leguminosenarten eine leicht rot-rosa Farbe. In alten Knötchen werden jedoch auch grüne Leghämoglobine produziert und mit Knötchenseneszenz (Tod) in Verbindung gebracht. Diese grünen Leghämoglobine können ein Abbauprodukt der roten Leghämoglobine sein.
Um den Lebenszyklus von Sojabohnenknollen zu verstehen, überwachten Du, Gao und Kollegen verschiedene Knolleneigenschaften während ihrer Entwicklung. Gleichzeitig mit anderen Ergebnissen stellten sie fest, dass die rote Pigmentierung in Knötchen neben einem hohen Knötchenwachstum ihren Höhepunkt erreichte. Die Aktivität der Stickstofffixierung erreichte neben roter Pigmentierung und Knötchenwachstum etwa 30 Tage nach der Inokulation ebenfalls ihren Höhepunkt. Die Knötchen-Stickstofffixierungsaktivität nahm anschließend ab und wurde von der Produktion von grünem Leghämoglobin begleitet. Die Knötchenalterung ist sowohl mit der Knötchenalterung als auch mit einer hohen Verfügbarkeit externer Stickstoffquellen verbunden. Die Autoren bestätigen dies für Sojabohnenknollen und stellen fest, dass Knollen bei hoher Stickstoffverfügbarkeit große Mengen an grünem Leghämoglobin produzieren und niedrige Stickstofffixierungsniveaus aufweisen.
Um mehr darüber zu verstehen, wie Sojabohnen die Stickstoffaufnahme bei unterschiedlichen externen Stickstoffverfügbarkeiten feinabstimmen können, identifizieren Du, Gao und Kollegen sieben Hämoglobine, die im Sojabohnengenom kodiert sind. Fünf davon haben die Eigenschaften von Leghämoglobinen. Die Autoren stellen fest, dass vier dieser Gene in Knötchen stark exprimiert werden, was mit einer Rolle bei der Unterstützung einer ordnungsgemäßen Stickstofffixierung übereinstimmt. Die Expression dieser vier Gene erreichte ihren Höhepunkt am oder wenige Tage vor dem Punkt der maximalen Stickstofffixierung unter Bedingungen geringer externer Stickstoffverfügbarkeit. Im Gegensatz dazu war unter Bedingungen mit hoher externer Stickstoffverfügbarkeit die Expression aller vier Gene stark reduziert.
Als die am häufigsten angebaute Leguminosen ist die Sojabohne von großer Bedeutung, wenn es darum geht, wie wir die Aufnahme von Stickstoff auf dem Feld durch Leguminosen optimieren können. Wenn die externe Stickstoffverfügbarkeit gering ist, nutzen Sojabohnen und andere Hülsenfrüchte symbiotische Wechselwirkungen mit stickstofffixierenden Bakterien, um nutzbaren Stickstoff zu erhalten. Wenn im Gegensatz dazu die externe Stickstoffverfügbarkeit hoch ist, wird die Initiierung neuer Knötchen reduziert, die Expression von Leghämoglobinen wird reduziert und bestehende Knötchen treten in die Seneszenz ein. Mit anderen Worten, Leguminosen müssen sich nicht die Mühe machen, Symbiosen einzugehen oder aufrechtzuerhalten, um nutzbaren Stickstoff zu erhalten, wenn dieser ansonsten in hoher Verfügbarkeit vorhanden ist. Wie Du, Gao und Kollegen zeigen, ist die Sojabohne in der Lage, beim plötzlichen Übergang zu einer hohen Stickstoffverfügbarkeit dynamisch darauf zu reagieren, wenn ihre Wurzelknollen in die Seneszenz eintreten. Du, Gao und Kollegen identifizieren Leghämoglobin-Gene in Sojabohnen mit Expressionsmustern und Reaktionen, die mit der Rolle bei der Unterstützung der Stickstofffixierung bei geringer externer Stickstoffverfügbarkeit übereinstimmen, und dass diese Gene bei hoher externer Stickstoffverfügbarkeit herunterreguliert werden.
Diese Studie liefert eine Grundlage, um unser molekulares Verständnis darüber zu erweitern, wie die Stickstofffixierung in der wohl wichtigsten Leguminosenpflanze optimiert und dynamisch aufrechterhalten wird. Es beleuchtet auch die interessante offene Frage, welche anderen Funktionen pflanzliche Hämoglobine neben der Unterstützung stickstofffixierender Symbiosen haben. Du, Gao und Kollegen identifizieren mutmaßlich zwei davon in Sojabohnen, und andere Arbeiten haben solche Proteine mit Pflanzenreaktionen auf Stress in Verbindung gebracht. Hämoglobine scheinen viel mehr zu sein als nur Blut.
