Algen als Stickstofflieferanten

Damit könnte die stickstofffixierende Struktur auf einer Stufe mit Mitochondrien und Chloroplasten stehen. Auch diese waren einst eigenständige Bakterien, die sich zunächst als Endosymbionten in andere Zellen integrierten und schließlich zu einem Teil von ihnen wurden. Bei den Mitochondrien, den Kraftwerken unserer Zellen, geschah das vor rund zwei Milliarden Jahren. Bei den Chloroplasten, die Pflanzen die Fähigkeit verleihen, Photosynthese zu betreiben, fand die Integration vor etwa 1,5 Milliarden Jahren statt.

Das neu entdeckte Organell, dem die Forschenden den Namen Nitroplast gaben, ist dagegen evolutionär deutlich jünger. Wahrscheinlich entwickelte es sich vor rund 100 Millionen Jahren. Den Forschenden liefert es einen direkten Einblick in die Entwicklung neuer Organellen. Die Analysen des Teams zeigen, dass das in die Alge integrierte Bakterium viele lebenswichtige Proteine nicht mehr selbst produziert, sondern aus seiner Wirtszelle importiert. Die Zelle markiert dazu bestimmte Proteine für den Transport zum Nitroplasten. „Das ist eines der Kennzeichen dafür, dass sich etwas von einem Endosymbionten zu einem Organell entwickelt“, erklärt Coales Kollege Jonathan Zehr. „Die integrierten Bakterien 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.“

Auch der Zellzyklus und das Wachstum von Alge und UCYN-A sind genau aufeinander abgestimmt. Bei der Zellteilung werden die in der Zelle vorhandenen UCYN-A gleichmäßig auf die Tochterzellen aufgeteilt. „Das ist genau das, was mit Organellen passiert“, sagt Zehr. „Wenn man sich die Mitochondrien und die Chloroplasten anschaut, ist es dasselbe: Sie wachsen mit der Zelle mit.“ Die Entdeckung könnte dazu führen, dass die Biologie-Lehrbücher umgeschrieben werden müssen, um zukünftig neben Mitochondrien und Chloroplasten auch Nitroplasten als Organellen darzustellen.

Selbstdüngende Pflanzen

Besonders relevant könnten die neuen Erkenntnisse zur Stickstofffixierung in Algen für die Landwirtschaft sein. Nutzpflanzen wie Weizen, Reis und Mais liefern nur dann hohe Erträge, wenn Landwirte die Böden mit Stickstoff anreichern – sei es durch Gülle, Kunstdünger oder eine Fruchtfolge mit Hülsenfrüchtlern. Doch seit Langem arbeiten Forschende daran, Nutzpflanzen zu züchten, die ähnlich wie Hülsenfrüchtler eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen oder auf andere Weise die Fähigkeit erlangen, Stickstoff aus der Luft zu nutzen.

„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. Auch Tschitschko geht davon aus, dass die von seinem Team entdeckte Symbiose zwischen Kieselalge und Rhizobie die Forschung zu selbstdüngenden Pflanzen voranbringen wird. „Die evolutionären Anpassungen der Rhizobie sind denen des Cyanobakteriums UCYN-A sehr ähnlich. Man könnte also spekulieren, dass sich Kieselalge und Rhizobie ebenfalls in einem frühen Stadium der Entwicklung zu einem einzigen Organismus befinden könnten“, sagt er. „Wenn es solche Organellen auch auf Basis von Rhizobien gäbe, könnte das weitreichende Konsequenzen haben angesichts der gewaltigen Bedeutung dieser Bakterien für die Landwirtschaft. Die in Kieselalgen entdeckten Rhizobien könnten zu einem Schlüsselkandidaten für die Entwicklung von stickstofffixierenden Pflanzen werden.“