Wie Pflanzen trockene Luft wahrnehmen

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