Germany
May 11, 2026
Plants are constantly on guard. Their roots are equipped with molecular alarm systems that detect invading microbes and trigger immune responses. Yet beneficial soil fungi routinely enter living root cells and establish close partnerships essential for plant nutrition. Scientists have now discovered that these fungi send small RNAs into the plant that may quietly switch off selected defence systems from within.
Researchers from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology and LMU Munich report in Nature Plants that symbiotic fungi deliver tiny RNA molecules into plant root cells. These molecules act like precise molecular lock-picks, guiding the plant’s own gene-silencing machinery to temporarily deactivate specific genes—including those involved in immunity. The process, known as cross-kingdom RNA interference, enables fungi to colonize roots without triggering defensive immune responses.
An ancient underground alliance
Arbuscular mycorrhiza symbiosis is a partnership between approximately 80% of land plant species—including crops like wheat and corn as well as garden vegetables and trees— and fungi belonging to a clade called Glomeromycotina. Based on fossil evidence the symbiosis emerged about 400-450 million years ago. These fungi enter plant roots and form intricate, tree-like structures called arbuscules inside root cells. Through these structures, fungi deliver mineral nutrients such as phosphorus, while plants provide carbon compounds.
While scientists have long understood this nutrient exchange, one major mystery remained: how can fungi enter living plant cells without triggering the plant’s immune system?
Engaging with the plant’s own machinery
To investigate this mystery, the research team studied the model fungus Rhizophagus irregularis colonizing roots of the legume Lotus japonicus. They focused on ARGONAUTE1 (AGO1), a plant protein that functions like molecular scissors. It binds small RNAs and is guided by them to messenger RNAs. AGO1 then destroys the messenger RNAs leading to gene silencing.
When the scientists isolated this protein from colonized roots of Lotus japonicus and analysed its cargo via small RNA sequencing, they found not only plant small RNA molecules attached to it, but fungal small RNAs as well. This suggested that fungal RNAs had crossed into plant cells and were actively directing the plant’s own gene-silencing system.
Bioinformatic analyses predicted that these fungal RNAs target plant genes involved in immune signaling and cell wall remodeling. Both normally help plants resist microbial entry. Several genes were experimentally validated to be targets and in vitro cleavage assays confirmed that fungal RNAs can guide plant AGO1 to slice corresponding plant messenger RNAs.
Direct evidence inside living roots
To confirm that cross-kingdom RNA interference occured inside the living roots, the team used a specialized reporter system developed by Arne Weiberg’s laboratory at the LMU Munich (now at University of Hamburg). The reporter was activated specifically in root cells containing fungal structures, which presented clear, real-time evidence that fungal RNAs entered plant cells and switched off genes.
To test whether these RNAs were functionally important, the researchers used a short-tandem-target-mimic (STTM) strategy. These RNA sequences act like molecular sponges that capture specific small RNAs. When four key fungal small RNAs were blocked in this way, root colonization by the fungus was significantly reduced. This demonstrated that the transferred RNAs are not accidental passengers. They actively enable the symbiosis.
Importantly, the effect was highly localized. Only cells in contact with the fungus showed the positive reporter signal. Thus, immune activity was potentially reduced in a very localised manner, allowing the plant to maintain defenses in surrounding tissues.
“It’s as if the fungus uses the plant’s own security controls to temporarily lower defenses in the exact cells it wants to enter,” explains co-first author Manisha Haag. Co-first author Dr. An‑Po Cheng adds: “What intrigues us is that fungal RNAs selectively target a small set of plant genes that potentially regulate immunity, allowing the fungus to establish symbiosis while the plant likely keeps its overall defense system intact.”
“We will now study in which way the predicted plant target genes counteract symbiosis” says director Prof. Caroline Gutjahr, one of the senior authors of the study.
Implications for sustainable agriculture
The discovery reveals a previously hidden layer of communication between plants and beneficial fungi and suggests that such molecular exchanges evolved early in the history of life on earth.
Understanding how fungi fine-tune plant immunity could help scientists develop tools to make crops cooperate more efficiently with beneficial soil organisms. This may improve nutrient uptake and reduce dependence on synthetic fertilizers.
Pilze kapern Pflanzenregulator, um Symbiose zu fördern - Studie enthüllt Mechanismus, mit dem Pilze Pflanzenwurzeln besiedeln
Pflanzen sind ständig auf der Hut. Ihre Wurzeln sind mit molekularen Alarmsystemen ausgestattet, die eindringende Mikroben erkennen und Immunreaktionen auslösen. Dennoch gelingt es nützlichen Bodenpilzen regelmäßig, in lebende Pflanzenwurzeln einzudringen und dort enge Partnerschaften einzugehen, die für die Nährstoffversorgung der Pflanzen unerlässlich sind. Wissenschaftler haben nun entdeckt, dass diese Pilze kleine RNAs in die Pflanze einschleusen, die wahrscheinlich ausgewählte Abwehrsysteme von innen heraus heimlich ausschalten können.
Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie und der LMU München berichten in Nature Plants, dass symbiontische Pilze winzige RNA-Moleküle in Zellen von Pflanzenwurzeln einschleusen. Diese Moleküle können sehr präzise bestimmte molekulare „Schlösser“ knacken. Sie nutzen den pflanzeneigenen Mechanismus zur Stilllegung von Genen, um gezielt bestimmte Gene, darunter auch solche zur Immunabwehr, vorübergehend auszuschalten. Dieser als „Cross-Kingdom RNA Interferenz” bezeichnete Prozess ermöglicht es Pilzen, Wurzeln zu besiedeln, ohne dabei eine Abwehrreaktion auszulösen.
Eine uralte unterirdische Allianz
Die arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose ist eine Partnerschaft zwischen etwa 80 % aller Landpflanzenarten – von Nutzpflanzen wie Weizen und Mais bis hin zu Gartengemüse und Bäumen – und Pilzen aus der Klade der Glomeromycotina. Fossile Funde deuten darauf hin, dass diese Symbiose vor etwa 400 bis 450 Millionen Jahren entstanden ist. Die Pilze dringen in Pflanzenwurzeln ein und bilden dort sogenannte Arbuskeln, komplexe, baumartige Strukturen. Über diese Strukturen liefern die Pilze mineralische Nährstoffe wie Phosphor an die Pflanze, während die Pflanze wiederum Kohlenstoffverbindungen bereitstellt.
Obwohl dieser Nährstoffaustausch Wissenschaftlern seit langem bekannt ist, blieb eine zentrale Frage offen: Wie gelingt es Pilzen, in lebende Pflanzenzellen einzudringen, ohne dabei eine Immunreaktion der Pflanze auszulösen?
Zusammenarbeit mit den pflanzeneigenen Mechanismen
Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, untersuchte das Forschungsteam den Modellpilz Rhizophagus irregularis, der die Wurzeln der Hülsenfrucht Lotus japonicus besiedelt. Im Mittelpunkt stand das Pflanzenprotein ARGONAUTE1 (AGO1). Dieses Protein wirkt wie eine molekulare Schere: Es bindet kleine RNAs und wird von diesen zu Boten-RNAs geleitet, welche normalerweise in Proteine übersetzt werden. AGO1 zerstört dann die Boten-RNAs, wodurch die entsprechenden Gene stillgelegt werden bzw. die Proteine nicht hergestellt werden können.
Als die Wissenschaftler AGO1 aus den besiedelten Wurzeln von Lotus japonicus isolierten und seine gebundenen RNAs mittels Sequenzierung analysierten, fanden sie nicht nur kleine pflanzliche RNA-Moleküle, die daran gebunden waren, sondern auch kleine Pilz-RNAs. Dies deutete darauf hin, dass Pilz-RNAs in Pflanzenzellen gelangt waren und aktiv das pflanzeneigene System der Gen-Stilllegung steuerten.
Bioinformatische Analysen prognostizierten, dass diese Pilz-RNAs auf Pflanzengene abzielen, die an der Immunabwehr und der Umgestaltung der Zellwand beteiligt sind. Beides sind wichtige Mechanismen, mit denen Pflanzen normalerweise das Eindringen von Mikroorganismen verhindern. Mehrere Gene wurden experimentell als Ziele bestätigt. In-vitro-Spaltungsassays belegten zudem, dass Pilz-RNAs das pflanzliche AGO1 dazu anleiten können, entsprechende pflanzliche Boten-RNAs zu schneiden.
Direkter Nachweis in lebenden Wurzeln
Um zu bestätigen, dass eine Cross-Kingdom RNA Interferenz in den lebenden Pflanzenwurzeln stattfindet, nutzte das Team ein spezielles Reportersystem, das im Labor von Arne Weiberg an der LMU München (jetzt Universität Hamburg) entwickelt wurde. Der Reporter wurde gezielt in Wurzelzellen aktiviert, die Pilzstrukturen enthielten. Dies lieferte einen eindeutigen Echtzeit-Beweis dafür, dass Pilz-RNAs in Pflanzenzellen eindringen und dort Gene ausschalten.
Anschließend prüften die Forscher mithilfe einer Short-Tandem-Target-Mimic (STTM)-Strategie, ob diese RNAs auch funktionell relevant sind. Solche RNA-Sequenzen wirken wie molekulare Schwämme, die bestimmte kleine RNAs binden und sie damit an ihrer Funktion hindern. Wurden vier wichtige Pilz-RNAs auf diese Weise blockiert, war die Besiedlung der Wurzeln durch den Pilz deutlich reduziert. Dies zeigte, dass die übertragenen RNAs keine zufälligen Passagiere sind, sondern aktiv zur Etablierung der Symbiose beitragen.
Bemerkenswert war zudem, dass der Effekt räumlich stark begrenzt blieb. Nur jene Zellen, die Kontakt mit dem Pilz hatten, zeigten ein positives Reportersignal. Somit war die Immunaktivität möglicherweise nur lokal vorübergehend gedämpft, sodass die Pflanze ihre Abwehrkräfte im umliegenden Gewebe aufrechterhalten konnte.
„Es ist, als würde der Pilz die eigenen Sicherheitskontrollen der Pflanze nutzen. Er senkt gezielt und vorübergehend genau in den Zellen, in die er eindringen möchte, die Abwehrkräfte“, erklärt Co-Erstautorin Manisha Haag. Co-Erstautor Dr. An-Po Cheng ergänzt: „Was uns besonders fasziniert, ist, dass Pilz-RNAs selektiv eine kleine Gruppe von Pflanzengenen ansteuern, die möglicherweise die Immunität regulieren. So kann der Pilz eine Symbiose eingehen, während das gesamte Abwehrsystem der Pflanze weitgehend intakt bleibt.“
„Wir werden nun untersuchen, wie genau die vorhergesagten Zielgene der Pflanzen der Symbiose entgegenwirken“, sagt Direktorin Prof. Caroline Gutjahr, eine der leitenden Autorinnen der Studie.
Bedeutung für eine nachhaltige Landwirtschaft
Die Ergebnisse zeigen eine bislang verborgene Ebene der Kommunikation zwischen Pflanzen und nützlichen Bodenpilzen. Sie legen nahe, dass sich solche molekularen Austauschprozesse bereits sehr früh in der Evolution des Lebens auf der Erde entwickelt haben.
Ein besseres Verständnis darüber, wie Pilze die Immunität von Pflanzen feinjustieren, könnte künftig helfen, Wekrzeuge zu entwicklen, mit deren Hilfe Nutzpflanzen effizienter mit nützlichen Bodenorganismen zusammenarbeiten. Dadurch könnte die Nährstoffaufnahme von Nutzpflanzen verbessert und die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln verringert werden.
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