Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Pflanzen trockene Luft wahrnehmen

08.04.2013
Ist die Umgebungsluft sehr trocken, müssen sich Pflanzen gegen zu hohen Wasserverlust schützen. Dazu schließen sie spezielle Poren in ihren Blättern. Wie die Pflanze Veränderungen der Luftfeuchtigkeit wahrnimmt und in ein Signal übersetzt, haben Forscher der Uni Würzburg erforscht.
Pflanzen tauschen Gase wie Kohlendioxid und Sauerstoff mit der Umwelt über Spaltöffnungen in ihren Blättern aus – den sogenannten Stomata. Zwei ringförmig angeordnete Schließzellen funktionieren dabei ähnlich wie ein Schwimmreifen: Prall gefüllt bilden sie einen offenen Ring; ohne den Druck aus dem Inneren erschlaffen die Zellen; die Öffnung schließt sich.

Bei Wasserknappheit und trockener Luft sind Pflanzen ständig mit einem Problem konfrontiert: Zum einen müssen sie ihre Stomata möglichst weit öffnen, um Kohlendioxid für die Photosynthese aufnehmen zu können. Gleichzeitig sollten sie aber ihre Spaltöffnungen schließen, da sie sonst in Gefahr geraten, zu viel Wasser in Form von Wasserdampf zu verlieren.

Ein feines Regelwerk von Steuersignalen

Tatsächlich verfügen Pflanzen über viele verschiedene, sich zum Teil überlagernde Mechanismen, mit denen sie den Stomata Befehle zum Öffnen und zum Schließen erteilen können. Die Suche nach dem perfekten Kompromiss zu den jeweiligen Bedingungen unterliegt genauester Kontrolle. Professor Rainer Hedrich und sein Mitarbeiter Dr. Peter Ache vom Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg haben jetzt neueste Erkenntnisse über dieses feine Regelwerk gewonnen und in der Fachzeitschrift Molecular Plant veröffentlicht. Die Forscher hatten an der Ackerschmalwand, einer genetisch gut verstandenen Modellpflanze, untersucht, wie Pflanzen Veränderungen der Luftfeuchte wahrnehmen und in ein chemisches Signal umsetzen.

In einer im vergangenen November veröffentlichten Arbeiten hatten Hedrich und Ache bereits gezeigt, dass Schließzellen direkt und selbständig auf eine geringe Luftfeuchtigkeit reagieren können, indem sie das Stresshormon Abszisinsäure (ABA) bilden. „Durch die Wirkung von ABA schleusen Schließzellen Salze aus dem Zellinneren heraus. In der Folge strömt Wasser aus, die Schließzellen verringern ihr Volumen, wodurch sich die Spaltöffnung schließt“, erklärt Rainer Hedrich.

Forschung an genetisch veränderten Pflanzen

Jetzt haben die beiden Würzburger Pflanzen untersucht, bei denen aufgrund genetischer Veränderung genau dieser Signalweg gestört war. „Wir haben mit Pflanzen gearbeitet, in denen jeweils ein wichtiges Schalter-Gen defekt war“, sagt Peter Ache. Verglichen mit wildtypischen Pflanzen seien durch diese Mutationen die Aktivitäten von jeweils 100 Genen betroffen gewesen.

Die Forscher prüften, welche dieser Gene besonders stark in Schließzellen vertreten sind und welche davon sowohl auf das Welkehormon ABA und trockene Luft reagierten. Zum Schluss blieben insgesamt vier Gene übrig, die in beiden Mutanten all diese Kriterien erfüllten. „Diese Gene sind nach unserer Einschätzung extrem wichtig für die stomatäre Antwort auf verminderte Luftfeuchte“, sagt Peter Ache.

Die Rolle von Zuckermolekülen

Eines dieser Gene ist darüber hinaus äußerst wichtig für den Zuckerstoffwechsel der Schließzellen. „Wir vermuten schon lange, dass Zucker eine wichtige Rolle beim Stomaschluss in trockener Luft spielt“, betont Rainer Hedrich. Zwei Szenarien seien dabei denkbar, die möglicherweise auch nebeneinander existieren:

„Zum einen finden sich in der Zellwand viele Zuckermoleküle, die ihrerseits Wassermoleküle anziehen. Wird nun bei trockener Luft dieses Wasser entzogen, verändert dies die Löslichkeit der Zellwand-Zucker. Dieses Signal kann direkt in die Zelle weitergeleitet werden. Zum anderen könnte im Falle der trockenen Luft aber auch die schnelle Abgabe von osmotisch stark wirksamen Zuckern aus den Schließzellen zur Wasserabgabe und letztlich zum Stomaschluss führen“, erklärt der Wissenschaftler.

Die offenen Fragen zum Wirkprinzip der Zucker wollen die Würzburger Pflanzenwissenschaftler mit Hilfe von Mutanten im Stoffwechsel und Transport der Schließzell-Zucker klären.

In ihrer aktuellen Arbeit untersuchten Hedrich und Ache bereits Mutanten, bei denen beispielsweise das Saccharose-Synthasegen SUS3 ausgefallen war. In ihrem Experiment prüften sie, ob bei niedriger Luftfeuchtigkeit der Gendefekt die ABA-Wirkung beeinflusst. Dies war tatsächlich der Fall.

Ein neues Detail in einem großen Netzwerk

„Die Tatsache, dass einige Gene in den jeweiligen Mutanten noch anspringen, andere aber nicht, bestätigt unsere Hypothese, dass die zugehörigen Proteine zentral im Luftfeuchte-Signalweg liegen müssen und dass Zucker hierbei eine wichtige Rolle spielen. Damit sind wir der Aufklärung des gesamten Netzwerkes und dem möglichen Luftfeuchtesensor ein gutes Stück nähergekommen“, freut sich Peter Ache.

Im Rahmen des Bayerischen Forschungsverbunds ForPlanta „Pflanzen fit für die Zukunft“ haben Hedrich und seine Mitarbeiter inzwischen mit weiteren Reizen den Stomaschluss ausgelöst und die dabei jeweils veränderten Genaktivitäten untersucht. Mit Hilfe der Bioinformatik wollen sie nun das gesamte Netzwerk entschlüsseln. „Wenn wir den Stomaschluss bei Trockenheit verstanden haben, gehen wir die andere Seite, nämlich die Regulation der Stomaöffnung an“, prognostiziert Hedrich.

„How do stomata sense reductions in atmospheric relative humidity?“, Hubert Bauer, Peter Ache, Florian Wohlfart, Khaled A.S. Al-Rasheid, Sophia Sonnewald, Uwe Sonnewald, Susanne Kneitz, Alistair M. Hetherington, and Rainer Hedrich. Mol. Plant, DOI:10.1093/mp/sst055

Kontakt

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

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Dinner in the Dark – ein delikates Wechselspiel der Mikroorganismen
24.11.2017 | Universität Wien

nachricht Wenn Blutsauger die Nase voll haben
24.11.2017 | Philipps-Universität Marburg

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: Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

Hochpräzise Messung des g-Faktors elf Mal genauer als bisher – Ergebnisse zeigen große Übereinstimmung zwischen Protonen und Antiprotonen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist unvorstellbar klein, aber es kann dennoch gemessen werden. Vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der...

Im Focus: New proton record: Researchers measure magnetic moment with greatest possible precision

High-precision measurement of the g-factor eleven times more precise than before / Results indicate a strong similarity between protons and antiprotons

The magnetic moment of an individual proton is inconceivably small, but can still be quantified. The basis for undertaking this measurement was laid over ten...

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher verwandeln Diamant in Graphit

24.11.2017 | Physik Astronomie

Dinner in the Dark – ein delikates Wechselspiel der Mikroorganismen

24.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

24.11.2017 | Physik Astronomie