Germany
March 20, 2025
Scientists from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research, the University of Cologne, and the University of Copenhagen have uncovered a hidden talent of the Casparian strip—a root structure best known for acting like a plant’s security guard. It turns out this natural barrier also plays a key role in making sure legumes get the right amount of nitrogen from their bacterial partners. Their findings, now published in Science, could help researchers better understand how plants and microbes negotiate their underground business deals.
Nitrogen: A Plant’s Favorite Snack (But Hard to Get)
Plants need nitrogen to grow, but they can’t just grab it from the air like we do with oxygen. If the soil doesn’t have enough, farmers have to add fertilizers—an expensive and environmentally tricky solution, since excess nitrogen can leak into groundwater.
But legumes, including beans, lentils, and peanuts, have a trick up their sleeve. They grow special root nodules that house friendly bacteria called rhizobia, which take nitrogen from the air and convert it into a form plants can use. In exchange, the bacteria get sugars from the plant. It’s a classic “you scratch my back, I’ll scratch yours” situation.
Keeping Nodules in Check: A Root-to-Leaf Group Chat
The roots of Lotus japonicus plants form nodules (visible as spherical structures) that host rhizobium bacteria, enabling nitrogen fixation. - © Defeng Shen
Nodule formation isn’t random—it’s tightly controlled based on how much nitrogen is in the soil. If there’s not enough, the roots send a distress signal (a peptide called CEP1) to the leaves, which respond by shutting down a nodule-blocking gene called too much love (TML). This lets the plant form nodules and get more nitrogen. It’s like a well-organized group chat, where everyone stays updated on the nitrogen crisis.
But here’s where things get weird. The researchers discovered that the Casparian strip (CS), a waterproof barrier in plant roots, develops at the same time as nodules. The CS normally acts like a VIP bouncer, deciding which nutrients and water can enter the plant’s vascular system. Nodules, however, form outside this barrier—so at some point, they need to sneak nutrients past it.
The Gatekeeper’s Hidden Role
To investigate, Tonni Andersen and his team studied Lotus japonicus, a model legume, using insights from the non-nodulating plant Arabidopsis. When they removed the CS in mutant plants, nodules formed more slowly under low nitrogen conditions. But the problem wasn’t a leaky root barrier—it was a breakdown in communication. The mutants had trouble producing CEP1, so the plant didn’t properly register its nitrogen shortage and delayed nodule formation.
When Bacteria Get Too Greedy
Even more surprising, the team found that nodules themselves contain a mini version of the Casparian strip. Inside nodules, the CS plays a critical role in managing the trade between plant and bacteria, ensuring the exchange stays fair. When the CS was removed inside nodules, all control was lost—sugars from the plant flooded in unchecked, turning the nodule into an all-you-can-eat buffet for bacteria. The result? The bacteria got fat and happy but stopped fixing nitrogen, leaving the plant without its much-needed nutrient boost.
For over a century, the Casparian strip has been known as the root’s doorman, controlling what enters the plant. But this study reveals it has a second job: regulating the delicate metabolic trade between plants and bacteria. By uncovering this unexpected role, researchers now have a powerful tool to study how plants keep their microbial tenants in check—ensuring their underground partnerships don’t turn into one-sided freeloading.
“This work provides new insights into how plants and microbes interact and establishes a brand new model system with the resolution to study how beneficial association can occur in tight places”, says Tonni Grube Andersen.
Ein natürlicher Türsteher: Wie Pflanzen Barrieren für gesunde Beziehungen nutzen
Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung, der Universität zu Köln und der Universität Kopenhagen haben ein verborgenes Talent des Caspary-Streifens entdeckt - einer Wurzelstruktur, die vor allem als Pförtner der Pflanze bekannt ist. Wie sich herausstellte, spielt diese natürliche Barriere auch eine Schlüsselrolle dabei, dass Hülsenfrüchte die richtige Menge Stickstoff von ihren bakteriellen Partnern erhalten. Die jetzt in Science veröffentlichten Ergebnisse könnten Forschenden helfen, besser zu verstehen, wie Pflanzen und Mikroben ihre unterirdischen Geschäfte aushandeln.
Stickstoff: Ein Lieblingssnack der Pflanzen (aber schwer zu bekommen)
Pflanzen brauchen Stickstoff zum Wachsen, aber sie können ihn nicht einfach aus der Luft holen wie wir Sauerstoff. Wenn der Boden zu wenig davon enthält, müssen die Landwirte ihn düngen - eine teure und ökologisch heikle Lösung, denn überschüssiger Stickstoff kann ins Grundwasser gelangen.
Doch Hülsenfrüchte wie Bohnen, Linsen und Erdnüsse haben einen Trick auf Lager. Sie bilden spezielle Knöllchen, in denen freundliche Bakterien namens Rhizobien leben, die den Stickstoff aus der Luft aufnehmen und in eine pflanzenverfügbare Form umwandeln. Im Gegenzug erhalten die Bakterien Zucker von der Pflanze. Ein klassischer Fall von „eine Hand wäscht die andere“.
Wurzelknöllchen in Schach halten: Gruppenchat von der Wurzel bis zum Blatt
Die Knöllchenbildung ist kein Zufall, sondern wird streng reguliert, je nachdem, wie viel Stickstoff im Boden vorhanden ist. Ist zu wenig Stickstoff vorhanden, senden die Wurzeln ein Notsignal (ein Peptid namens CEP1) an die Blätter, wodurch das Gen ‚Too Much Love‘ (TML), welches die Knöllchenbildung blockiert, ausgeschaltet wird. Dadurch kann die Pflanze nun Knöllchen bilden und mehr Stickstoff aufnehmen. Es ist wie ein gut organisierter Gruppenchat, in dem alle über die Stickstoffkrise auf dem Laufenden sind.
Doch jetzt wird es merkwürdig. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben nun herausgefunden, dass sich der Casparische Streifen (CS), eine wasserdichte Barriere in Pflanzenwurzeln, gleichzeitig mit den Knöllchen entwickelt. Der CS funktioniert normalerweise wie ein VIP-Türsteher und entscheidet, welche Nährstoffe und welches Wasser in das Gefäßsystem der Pflanze gelangen. Die Knöllchen bilden sich allerdings außerhalb dieser Barriere, so dass diese irgendwann Nährstoffe durchlassen müssen.
Die verborgene Rolle des Türstehers
Um dies zu untersuchen, haben Tonni Andersen und sein Team die Hülsenfrucht Lotus japonicus untersucht und dabei auf Erkenntnisse zurückgegriffen, die sie bei der nicht-knöllchenbildenden Pflanze Arabidopsis gewonnen hatten. Entfernten sie den CS in den Pflanzen, bildeten sich die Knöllchen unter stickstoffarmen Bedingungen langsamer. Das Problem war jedoch nicht eine undichte Wurzelbarriere, sondern ein Kommunikationsproblem. Die CS-Mutanten hatten Probleme, CEP1 zu produzieren, so dass die Pflanze den Stickstoffmangel nicht richtig registrierte und die Knöllchenbildung verzögerte.
Wenn Bakterien zu gierig werden
Noch überraschender war die Entdeckung, dass die Knöllchen selbst eine Mini-Version des Casparian-Streifens enthalten. In den Knöllchen spielt der CS eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des Handels zwischen Pflanze und Bakterien und sorgt dafür, dass der Austausch fair bleibt. Ohne den CS in den Knöllchen, ging diese Kontrolle verloren - die Zucker aus der Pflanze strömten ungehindert hinein und verwandelten die Knöllchen in ein All-you-can-eat-Buffet für die Bakterien. Das Ergebnis - die Bakterien vermehren sich weiter, produzierten aber keine Stickstoffverbindungen mehr, so dass der Pflanze die dringend benötigten Nährstoffe fehlten.
Mehr als nur eine Barriere
Seit mehr als einem Jahrhundert ist der Caspary-Streifen als Türsteher der Wurzel bekannt, der kontrolliert, was in die Pflanze gelangt. Diese Studie zeigt jedoch, dass er eine zweite Funktion hat: Er reguliert den empfindlichen Stoffwechsel zwischen Pflanzen und Bakterien. Mit der Entdeckung dieser unerwarteten Rolle haben die Forschenden nun ein wichtiges Werkzeug in der Hand, um zu untersuchen, wie Pflanzen ihre mikrobiellen Untermieter in Schach halten - und damit ihre unterirdischen Partnerschaften nicht in einseitigen Parasitismus ausarten.
„Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen und Mikroben miteinander interagieren, und etabliert ein neues Modellsystem, um zu untersuchen, wie eine vorteilhafte Partnerschaft auf engstem Raum stattfinden kann“, sagt Tonni Grube Andersen.
Topics
Species
