Nach fast einem Jahrzehnt der Bemühungen haben Wissenschaftler von RIKEN die Struktur eines Schlüsseltransportproteins bestimmt, das Pflanzen dabei hilft, Eisen aus dem Boden zu gewinnen. Diese Erkenntnis könnte die Entwicklung neuer hochwirksamer Düngemittel leiten, die Pflanzen helfen, Eisen aus Böden mit Eisenmangel zu extrahieren.
Etwa ein Drittel aller Böden weltweit sind alkalisch, weil ihr Boden große Mengen des alkalischen Salzes Calciumcarbonat enthält. Eisen löst sich in diesen alkalischen Böden schlecht, und der daraus resultierende Eisenmangel kann das Pflanzenwachstum stark einschränken.
„Die Eisenaufnahme aus dem Boden ist nicht einfach“, sagt Atsushi Yamagata vom RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research.
Gewöhnliche Gräser, einschließlich Weizen und Gerste, haben jedoch eine einzigartige Strategie entwickelt, um Eisen einzufangen. Sie geben frei Verbindungen sogenannte Phytosiderophore, die in den Boden freigesetzt werden, wo sie sich mit Eisen verbinden und einen Komplex bilden, den die Pflanzen über ihre Wurzeln aufnehmen können.
Die Phytosiderophore sind Verbindungen, die als Muginsäuren bekannt sind. Während sie ihre Eisenladung transportieren, werden sie von einem Transportprotein in Zellmembranen in Pflanzenzellen resorbiert. Über den molekularen Mechanismus dieses Prozesses ist jedoch noch vieles unbekannt.
Jetzt haben Yamagata und seine Mitarbeiter erstmals die Struktur des Transportproteins aufgeklärt.
„Wir haben die Struktur des Transportproteins aufgeklärt – sowohl im ungebundenen Zustand als auch in Kombination mit einem eisentragenden Phytosiderophor“, sagt Yamagata. Dies ist entscheidend, weil es den Forschern hilft, die feinen molekularen Details zu verstehen, wie die Eisen-enthaltenden Komplex interagiert mit dem Transporter, um in die Zellen transportiert zu werden.
Das RIKEN-Team hatte fast zehn Jahre lang versucht, die Struktur des Transportproteins zu bestimmen. „Wir konnten nicht einmal die Kristalle beschaffen, die für die Analyse durch Röntgenkristallographie benötigt werden“, sagt Yamagata. Der Durchbruch kam mit den jüngsten Fortschritten in einer Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie, die die Strukturen durch das Abfeuern von Elektronen auf gefrorene Proben der enthüllte Protein.
Diese Forschung leitet nun die Arbeit zur Entwicklung von Derivaten von Muginsäuren, von denen das Team glaubt, dass sie zu einer neuen Generation hochwirksamer Düngemittel für alkalische Böden werden könnten.
„Ein synthetisches Derivat, das von unserem Mitarbeiter Kosuke Namba von der Universität Tokushima entwickelt wurde, kann sich verbessern Pflanzenwachstums besser als die natürliche Verbindung zu nur etwa einem Tausendstel der Kosten“, sagt Yamagata. Das als Prolin-2′-Desoxymugininsäure (PDMA) bezeichnete Derivat ist einen Monat lang stabil Boden, verglichen mit nur einem Tag für die natürliche Verbindung.
Namba arbeitet nun mit einem japanischen Hersteller zusammen, um die Produktion von PDMA für die kommerzielle Nutzung als landwirtschaftliches Düngemittel zu steigern.