Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wassersparende Pflanzen als Ziel

10.09.2014

Ackerpflanzen züchten, die besser mit Trockenheit zurechtkommen und dem Klimawandel trotzen können: Dieses Ziel verfolgen Würzburger Pflanzenforscher. Im Fachblatt „Science Signaling“ beschreiben sie die neuesten Fortschritte ihrer Arbeit.

Kulturpflanzen wie Kartoffeln und Zuckerrüben halten Trockenheit sehr viel schlechter aus als Wildpflanzen. „Das ist ein Ergebnis der Züchtung auf möglichst viel Ertrag“, sagt Pflanzenwissenschaftler Rainer Hedrich von der Universität Würzburg. „Unsere Hochleistungspflanzen haben die natürliche Stresstoleranz ihrer frühen Ahnen eingebüßt, sie sind abhängig geworden von künstlicher Bewässerung und Düngung.“


Blattporen mit ihren charakteristischen bohnenförmigen Schließzellen (A). Rechts ist schematisch der Mechanismus gezeigt, mit dem Pflanzen bei Trockenheit die Poren schließen. Bild: Dietmar Geiger

Wie haben Wildpflanzen im Lauf der Erdgeschichte ihre Trockentoleranz erworben und erhalten? Für diese Frage interessiert sich Hedrichs Team in Kooperation mit finnischen Kollegen aus Tartu und Helsinki. Um die Antwort zu finden, dringen die Forscher tief ins Innere von Pflanzenblättern vor. Dort analysieren sie die molekularen Vorgänge, mit denen Pflanzen den Verlust von Wasser einschränken.

Wie verschiedene Pflanzen mit Trockenheit umgehen

Für Algen und Wasserpflanzen ist Trockenheit noch kein Thema. Nachdem die Pflanzen im Lauf der Evolution aber das Land erobert hatten, waren sie mit längeren Trockenperioden konfrontiert. Um diese Phasen zu überleben, haben frühe Landpflanzen wie Moose und Farne schon vor etwa 480 Millionen Jahren eine Austrocknungstoleranz entwickelt.

Der Schlüssel für diese Fähigkeit ist das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA): Wenn Pflanzen Wassermangel verspüren, synthetisieren sie dieses Stresshormon und aktivieren damit Gene für spezielle Schutzproteine. Die erlauben es ihnen dann, einen starken Wasserverlust oder sogar ein völliges Austrocknen zu überleben.

Die Blütenpflanzen, die in der Evolution auf Moose und Farne folgten, gehen mit Trockenheit ganz anders um: In ihren Blättern besitzen sie verschließbare Poren, mit deren Hilfe sie einen Wasserverlust sehr stark vermindern können. Die mikroskopisch kleinen Poren sind von je zwei spezialisierten Schließzellen umgeben. Bekommen diese vom Stresshormon ABA Trockenheit signalisiert, senken sie ihren Zelldruck ab und verschließen so die Pore.

Signalkette an Schließzellen ist komplexer als gedacht

Die Signalkette, die vom Hormon ABA bis zum Verschließen der Poren führt, wurde in Hedrichs Team in den vergangenen Jahren im molekularen Detail untersucht. Als zentral erwiesen sich dabei Kanäle, die in den Schließzellen sitzen und auf ein Signal hin Ionen aus diesen Zellen freisetzen. Als Folge davon sinkt der Zelldruck, die Poren in den Blättern gehen zu und die Pflanze verliert weniger Wasser an die Umgebung.

Nun ist der Mechanismus an dieser pflanzlichen Wasserspartaste aber noch komplexer als bislang gedacht, wie Rainer Hedrich und Dietmar Geiger mit weiteren Kollegen im Fachblatt „Science Signaling“ berichten. Denn die Kanäle reagieren nicht nur auf ein bestimmtes Signal, sondern auf mehrere verschiedene Signale.

Chemisch gesehen, handelt es sich bei diesen Signalen um sogenannte Phosphorylierungen. Dabei bekommen die Kanäle (ihr Name: SLAC1) an unterschiedlichen Stellen von unterschiedlichen Enzymen, den Proteinkinasen, Phosphat-Moleküle angeheftet und werden dadurch aktiviert. Eine Kinase namens OST1 spielt dabei die wichtigste Rolle: „Wenn sie in Pflanzen fehlt, reagieren die Schließzellen überhaupt nicht mehr auf das Hormon ABA“, so Geiger.

Ziel: An-Aus-Schalter der Schließzellen verändern

Bei weiteren biophysikalischen Analysen fanden die Würzburger Forscher heraus, an welchen Stellen genau sich die SLAC1-Kanäle an- und ausschalten lassen. Durch das Betätigen dieser Nano-Schalter – es handelt sich dabei um einzelne Aminosäuren im Kanalprotein – aktiviert die Pflanze ihre Kanalproteine und damit ihren Wasserspar-Mechanismus.

Als nächstes wollen die Wissenschaftler diese An-Aus-Schalter experimentell umbauen, um die Aktivität der Kanäle in die gewünschte Richtung schieben zu können. Ihr Fernziel: Nutzpflanzen zu züchten, die besser Wasser sparen können und dadurch auch besser für die fortschreitende Klimaveränderung mit immer längeren Trockenperioden gewappnet sind. Erste Versuche wollen die Forscher mit Kartoffeln und Zuckerrüben angehen.

Molekulare Evolution der Trockentoleranz im Blick

Hedrichs Team ist auch der Evolution der Trockentoleranz auf der Spur: „Wir sind derzeit dabei, SLAC1- und OST1-Verwandte aus Algen, Moosen, Farnen und Blütenpflanzen zu klonieren“, sagt er. Am Ende soll geklärt werden, wann sich in Pflanzen eine Wechselwirkung zwischen den beiden Molekülen gebildet hat und wann Schließzellen die Fähigkeit erworben haben, den Öffnungsgrad der Blattporen über das Hormon ABA zu kontrollieren.

“Site- and kinase-specific phosphorylation-mediated activation of SLAC1, a guard cell anion channel stimulated by abscisic acid” Tobias Maierhofer, Marion Diekmann, Jan Niklas Offenborn, Christof Lind, Hubert Bauer, KenjiHashimoto, Khaled A. S. Al-Rasheid, Sheng Luan, Jörg Kudla, Dietmar Geiger, and RainerHedrich. Science Signaling, 9. September 2014, DOI: 10.1126/scisignal.2005703

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

http://www.bot1.biozentrum.uni-wuerzburg.de/ Zur Homepage des Lehrstuhls von Prof. Hedrich

Robert Emmerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Agrar- Forstwissenschaften:

nachricht Feuerbrand bekämpfen und Salmonellen nachweisen
14.06.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Das Potenzial nichtheimischer Baumarten für den forstlichen Anbau in Deutschland sachlich prüfen
14.06.2017 | Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Agrar- Forstwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Basis für neue medikamentöse Therapie bei Demenz

27.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Aus Potenzial Erfolge machen: 30 Rittaler schließen Nachqualifizierung erfolgreich ab

27.07.2017 | Unternehmensmeldung

Biochemiker entschlüsseln Zusammenspiel von Enzym-Domänen während der Katalyse

27.07.2017 | Biowissenschaften Chemie