Heterozysten: Stickstofffixierung in Pflanzen verstehen

Stickstoff ist ein essentielles Element für das Wachstum fast aller Lebensformen, besonders Pflanzen. Obwohl Stickstoff reichlich in der Luft als Gas vorhanden ist, ist er für Pflanzen und Tiere unbrauchbar, bis er in Nitrat oder Ammoniak umgewandelt wird, das dann zur Herstellung von Proteinen und anderen wichtigen Verbindungen verwendet wird. Einige Pflanzen nutzen spezielle Cyanobakterien, sogenannte Heterozysten, um Stickstoff aus der Luft in eine biologisch verfügbare Form umzuwandeln.

Identifikation

Heterozysten sind spezielle stickstofffixierende Zellen, die bei bestimmten Arten von Cyanobakterien in Zeiten von geringem Stickstoff gebildet werden. Diese spezialisierten Zellen müssen, um Stickstoff aus der Luft in eine für die Bakterien nutzbare Form umzuwandeln, Sauerstoff aus der Zelle fernhalten. Dies erfordert mehrere Veränderungen an der Zelle selbst, einschließlich zusätzlicher Wände, um Sauerstoff fernzuhalten. Darüber hinaus, da die Zelle für die Stickstofffixierung sauerstofffrei sein muss, ist sie nicht in der Lage, einige der Verbindungen zu produzieren, die sie zur Energiegewinnung und zum Überleben benötigt. Als Ergebnis gehen diese Zellen einen Tausch mit anderen nahegelegenen Zellen ein, tauschnutzbaren Stickstoff gegen Verbindungen, die sie in Energie umwandeln kann. Sobald eine normale Cyanobakterienzelle in eine Heterozyste umgewandelt wird, kann sie nicht mehr zurückverwandelt werden. Es wird angenommen, dass die Heterozystenbildung auf der Menge an verfügbarem Ammoniak und Nitrat basiert.

Bedeutung

Heterozysten gehen oft eine symbiotische Beziehung mit bestimmten Arten von Blaualgen ein. Das bedeutet, dass die beiden Organismen zusammenarbeiten zu ihrem gegenseitigen Nutzen. Heterozysten versorgen die Algen mit Ammoniak und Nitraten, und die Algen wiederum versorgen die Heterozysten mit anderen Nährstoffen. Bei dieser Form der Symbiose können die Heterozysten die Mehrheit der Bakterien ausmachen, und die Heterozystenbildung wird nicht länger durch die Menge an Ammoniak und Nitraten reguliert, sondern basiert auf Signalen, die die Pflanze gibt. Diese Form der Beziehung ist zwischen Pflanzen und Bakterien nicht ungewöhnlich, da sie es Pflanzen ermöglicht, Nährstoffe zu erhalten, die sie sonst nicht bekommen könnten.

Merkmale

Die Heterozystenbildung ist durch mehrere Veränderungen an der Zelle gekennzeichnet, einschließlich der Bildung von drei zusätzlichen Zellwänden. Heterozysten beginnen auch, bestimmte Proteine zu produzieren, die an der Stickstofffixierung beteiligt sind, und bauen Proteine ab, die Sauerstoff produzieren. Schließlich produziert die Zelle mehr glykolytische Enzyme, was es der Zelle ermöglicht, Energie ohne Sauerstoff zu produzieren. Schließlich produziert die Heterozystenzelle, um sicherzustellen, dass kein Sauerstoff in der Zelle vorhanden ist, Proteine, die jeglichen verbleibenden Sauerstoff abfangen.

Typen

Neben der Symbiose zwischen Heterozysten und Blaualgen tritt die Symbiose zwischen stickstofffixierenden Bakterien und Pflanzen auch bei anderen Arten auf. Die häufigste Pflanze, die diese Technik verwendet, ist die Familie der Hülsenfrüchte, zu der Bohnen, Erdnüsse, Klee und Luzerne gehören. Diese Pflanzen verwenden eine Art von Bakterien namens Rhizobien in ihren Wurzeln, um Stickstoff zu produzieren.

Bedeutung

Die Stickstofffixierung durch Heterozysten und andere symbiotische Bakterien ist ein wichtiger Teil der Ökologie und ist entscheidend, um die Erschöpfung von nutzbarem Stickstoff zu verhindern, nicht nur für die einzelnen Pflanzen, die diese Symbiose nutzen, sondern für ökologische Systeme als Ganzes. Die Stickstofffixierung ist die Grundlage für Praktiken wie die Fruchtfolge, bei der Landwirte Felder zwischen nährstoffzehrenden Pflanzen wie Mais und anderen, eher auffüllenden Pflanzen wie Bohnen und Hülsenfrüchten wechseln. Ohne Heterozysten und andere stickstofffixierende Bakterien wären die Nitrate und das Ammoniak, die zum Erhalt des Lebens notwendig sind, sehr begrenzt, was nur bestimmte Arten von Pflanzen wachsen ließe und die Vielfalt der Fauna und Flora, die den Planeten bevölkern, stark einschränken würde.