Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Pflanzen sparen Wasser per Ionenkanal

14.09.2010
Einen Ionenkanal, mit dem sich Pflanzen vor dem Austrocknen schützen, haben Würzburger und Züricher Forscher entdeckt. Seine Besonderheit: Er funktioniert ähnlich wie Ionenkanäle, die bei Menschen und Tieren auftreten.

In der Haut von Pflanzen befinden sich winzige Poren. Sie lassen Kohlendioxid für die Photosynthese in die Blätter gelangen und gleichzeitig Wasser in die Umgebung entweichen. Die optimale Regulation dieser Poren ist für Pflanzen darum sehr wichtig: Bei Trockenheit soll möglichst wenig Wasser verloren gehen, aber ausreichend Kohlendioxid einströmen.

Gebildet werden die Poren von jeweils zwei Schließzellen: Sind diese prall mit Ionen und Wasser gefüllt, klaffen sie auseinander und die Pore ist offen. Erschlaffen die Zellen, geht die Pore zu. Wie das funktioniert? Vereinfacht gesagt so: Auf ein Signal von außen öffnen sich in der Wand der Schließzellen Kanäle, durch die Ionen hinausfließen. Als Folge davon geben die Schließzellen auch Wasser ab und werden schlaff, wodurch sich die Pore zwischen den beiden Schließzellen verengt.

Publikation im „Plant Journal“

Es gibt verschiedene Kanäle, durch die Ionen aus Zellen hinaus gelangen. Ein langsam arbeitender Kanaltyp war bereits identifiziert; Details über einen schnell öffnenden Kanaltyp stellt nun erstmals die Zeitschrift „The Plant Journal“ vor.

Entdeckt wurde der Kanal von den Teams der Professoren Rainer Hedrich (Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg) und Enrico Martinoia (Institut für Pflanzenbiologie der Universität Zürich). Eine Gruppe weltweit führender Pflanzenforscher, die „Faculty of 1000“, stuft ihre Arbeit als besonders lesenswert ein.

Mutante als Ausgangspunkt

Wie es zum Nachweis des schnellen Kanals kam? Martinoia, der früher an der Uni Würzburg tätig war, wurde bei seinen Forschungen auf eine Mutante der Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand) aufmerksam: Sie kann die Poren in ihren Blättern nicht mehr optimal auf die Kohlendioxid-Konzentration einstellen. Martinoia wandte sich an den Schließzell-Experten Hedrich, um gemeinsam mit ihm mehr über den genetischen Defekt herauszufinden.

Hedrich: „Es stellte sich heraus, dass der Defekt einen Ionenkanal in den Schließzellen betrifft, der empfindlich auf Malat reagiert.“ Malat ist das Anion der Apfelsäure und eine wichtige Verbindung nicht nur im Pflanzenstoffwechsel. Für die Schließzellen hat es eine besondere Signalfunktion: Wenn photosynthetisch aktive Zellen kein Kohlendioxid mehr verarbeiten können – etwa, weil es dunkel wird – geben sie Malat ab. Damit signalisieren sie den Schließzellen, dass sie die Poren dicht machen können, um Wasser zu sparen.

„Über den Malat-Sensor des bis dato unbekannten Kanals stellen Pflanzen also die Porenweite auf die photosynthetische Leistungsfähigkeit der Blattzellen ein“, so der Würzburger Professor, der weltweit als Experte für pflanzliche Ionenkanäle anerkannt ist. Arabidopsis-Pflanzen, bei denen der Kanal fehlerhaft ist, schaffen diese Regulation nicht mehr. Ihre Poren bleiben auch bei hoher Malat-Konzentration offen und sogar dann, wenn das Stresshormon Abscisinsäure Wassermangel meldet.

Ionenkanal in Froscheiern charakterisiert

Nachdem die Gruppe von Martinoia bei der Arabidopsis-Mutante das defekte Gen aufgespürt hatte, wurde es in Würzburg kloniert und in Eier des Xenopus-Froschs übertragen. Binnen zwei Tagen hatten die millimetergroßen Eizellen so viele Pflanzenkanäle produziert und in ihre Hüllmembranen eingebaut, so dass die Wissenschaftler den Kanaltyp, dessen Verlust für die Fehlleistung der mutanten Schließzellen verantwortlich ist, mit elektrophysiologischen Messungen charakterisieren konnten.

Sonderstellung des neu entdeckten Kanals

Ionenkanäle spielen nicht nur bei Pflanzen eine Rolle, sondern auch bei der Weiterleitung der elektrischen Erregung in den Nerven- und Muskelzellen von Tieren. Der neu identifizierte Pflanzenkanal nimmt laut Hedrich hier eine Sonderstellung ein: „Wenn Malat an ihn bindet, öffnet er sich schon beim Ruhepotential der Membran und depolarisiert sie vorübergehend.“ Damit lege der Pflanzenkanal ein ähnliches elektrisches Verhalten an den Tag wie die Natriumkanäle in den Nervenzellen von Mensch und Tier.

Wie die Forschung weitergeht

„Jetzt gilt es zu verstehen, warum die beiden Kanäle sich funktionell so ähnlich sein können“, sagt Hedrich: Wie können derart unterschiedliche Gene eine gemeinsame Funktion begründen? Wie messen die Kanäle das elektrische Feld? Wie lässt dieser Schließzellkanal Anionen und sogar bevorzugt Malat durchtreten? Wie sieht der Malat-Schalter am Pflanzenkanal aus? Das sind die Fragen, welche die Wissenschaftler als nächstes angehen wollen.

“AtALMT12 represents an R-type anion channel required for stomatal movement in Arabidopsis guard cells”, Stefan Meyer, Patrick Mumm, Dennis Imes, Anne Endler, Barbara Weder, Khaled A.S. Al-Rasheid, Dietmar Geiger, Irene Marten, Enrico Martionia, and Rainer Hedrich, The Plant Journal (2010) 63, Seiten 1054-1062, doi: 10.1111/j.1365-313X.2010.04302.x

Kontakt
Prof. Dr. Rainer Hedrich, Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften der Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Designerviren stacheln Immunabwehr gegen Krebszellen an
26.05.2017 | Universität Basel

nachricht Wachstumsmechanismus der Pilze entschlüsselt
26.05.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

29.05.2017 | Physik Astronomie

Deutschlandweit erstmalig: Selbstauflösender Bronchial-Stent für Säugling

29.05.2017 | Medizintechnik

Professionelle Mooszucht für den Klimaschutz – Projektstart in Greifswald

29.05.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz