Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laubmoos als Pionier des Wassersparens

24.03.2015

Wann in der Evolution haben Pflanzen gelernt, Wasser zu sparen? Die ersten Ansätze dazu fand ein internationales Forschungsteam bei einem Laubmoos. Dabei kam auch heraus, wie die Evolution mit Molekülen spielt.

Die ersten Pflanzen, die sich vor 500 Millionen Jahren aus dem Meer ans Land wagten, waren Grünalgen. Sie mussten damit zurechtkommen, dass sie nicht mehr ständig von Wasser umgeben waren. Das bedeutete für sie die große Gefahr, bei Trockenheit langsam zu verdorren.


Das Kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens) war in der Evolution ein Pionier in Sachen Wassersparen.

(Foto: Pirex / Wikimedia Commons)


Beim Moos Physcomitrella patens geriet der Anionenkanal SLAC1 zum ersten Mal unter die Kontrolle des Trockenstress-abhängigen Enzyms OST1.

(Bild: Lehrstuhl für Botanik I, Uni Würzburg)

Eine spätere Generation der Landpflanzen, die Moose, löste dieses Problem ganz geschickt: Bei Wassermangel trocknen sie zwar langsam aus, doch sobald sie wieder mit Wasser in Berührung kommen, springt ihre Photosynthese an und sie wachsen weiter. Die Moose schaffen das, weil sie sich bei der Evolution des Landgangs eine Austrocknungstoleranz zugelegt haben.

Enzym OST1 mit zentraler Funktion

Moose produzieren, wie auch alle anderen Pflanzen, bei Wassermangel das Stresshormon Abscisinsäure (ABA). Das wiederum kurbelt die Produktion spezieller Austrocknungsschutz-Proteine an, der Dehydrine. Diese sorgen dafür, dass die Moose eine Trockenzeit ohne größeren Funktionsverlust überstehen. Für die Produktion der Dehydrine ist unter anderem das Enzym OST1 besonders wichtig.

Dieses Enzym sorgt auch bei höher entwickelten Pflanzen dafür, dass ein zu großer Wasserverlust vermieden wird. Allerdings tut es das hier nicht nur über Austrocknungsschutz-Proteine, sondern über einen zweiten Weg: Es aktiviert den Anionenkanal SLAC1 der Schließzellen in der Haut der Pflanzen. Daraufhin machen die Schließzellen die Poren dicht, über die das lebensnotwendige Kohlendioxid in die Pflanze strömt, über die aber auch Wasser an die Umgebung verloren geht.

Wann gab es erstmals Schließzellen in der Evolution? Die ersten landgängigen Algen und auch die relativ einfach gebauten Lebermoose besitzen noch keine. Erst bei den höher entwickelten Laubmoosen treten Schließzellen auf, wenn auch noch spärlich: Sie finden sich nur an einer stecknadelkopfartigen Struktur, mit der das Moos seine Sporen verbreitet.

Ergebnisse in „Current Biology“ publiziert

Wann in der Evolution haben die Pflanzen gelernt, über das Enzym OST1 die Produktion von Dehydrinen zu steuern? Und wann begannen sie, mit diesem Enzym den Anionenkanal der Schließzellen zu aktivieren? Diese Fragen haben die Würzburger Pflanzenwissenschaftler Dietmar Geiger und Rainer Hedrich mit Fachkollegen aus Freiburg, Madrid, Riad, Uppsala, Kyoto und West Lafayette beantwortet. Ihre Ergebnisse sind im Fachblatt „Current Biology“ veröffentlicht.

Die Forscher verglichen OST1-Enzyme und SLAC1-Kanäle aus vier verschieden hoch entwickelten Pflanzen: Sie untersuchten die Landalge Klebsormidium nitens, das Brunnen-Lebermoos Marchantia polymorpha, das Laubmoos Physcomitrella patens (Kleines Blasenmützenmoos) und Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) als Vertreterin der höher entwickelten Pflanzen.

Struktur des Anionenkanals gab den Ausschlag

Dabei kam heraus, dass sich alle OST1-Varianten in ihrer Gensequenz nicht stark unterscheiden und dass sie alle die Produktion von Dehydrinen ankurbeln können. Ebenso können alle OST1-Varianten den Anionenkanal der Ackerschmalwand aktivieren. Dagegen versagten sie bei den Kanälen der Alge und des Lebermooses. Der Schlüssel zum Wassersparen muss also in der Struktur des Kanals liegen.

Bei dem untersuchten Laubmoos, das entwicklungsgeschichtlich jünger ist als das Lebermoos, fanden die Wissenschaftler eine Besonderheit: Es besitzt zwei Formen des Anionenkanals, und eine davon reagiert bereits auf OST1 – das allerdings ganz schwach. Baut man den zweiten, völlig inaktiven Kanal nach dem Vorbild der OST1-empfindlichen Kanäle um, gewinnt er zunehmend an Aktivität.

Damit hat das Forschungsteam gezeigt, dass OST1 schon sehr früh in der Evolution so weit ausgereift war, dass es die Dehydrin-Produktion steuern kann. Dagegen erwarb der Kanal SLAC1 die Fähigkeit, auf OST1 zu reagieren, erst mit der Entstehung der Laubmoose. „Die Evolution hat mit der Struktur des Kanals und mit dessen Funktion solange gespielt, bis er vom bereits bestehenden ABA-Dehydrin-Signalweg angesteuert werden und die Aufgabe als Wasserspartaste übernehmen konnte“, so Hedrich.

Suche nach weiterer evolutionärer Spielwiese

Ist die Frage nach der Evolution des Wassersparens damit beantwortet? Noch nicht, meint der Würzburger Professor: „Die Schließzellen der Moose und der später folgenden Farne reagieren nicht oder nur schwach auf das Wasserstresshormon ABA. Deshalb bleibt noch zu prüfen, wann sich auf dem Weg zur hoch entwickelten Blütenpflanze alle funktionellen Komponenten des ABA-abhängigen Signalwegs in den Schließzellen zusammengefunden haben. Die Spielwiese für die Optimierung dieses Wegs vermuten wir beim Übergang von den Farnen zu frühen Blütenpflanzen.“

Stomatal Guard Cells Co-opted an Ancient ABA-Dependent Desiccation Survival System to Regulate Stomatal Closure, Christof Lind, Ingo Dreyer, Enrique J. López-Sanjurjo, Katharina von Meyer, Kimitsune Ishizaki, Takayuki Kohchi, Daniel Lang, Yang Zhao, Ines Kreuzer, Khaled A.S. Al-Rasheid, Hans Ronne, Ralf Reski, Jian-Kang Zhu, Dietmar Geiger and Rainer Hedrich, Current Biology, online publiziert am 19. März 2015, http://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822%2815%2900131-1

Kontakt

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

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie