Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Pflanzen vor Trockenheit schützen: An- und Ausschalter für Spaltöffnungen (Stomata) entdeckt

23.09.2014

Auch bei längeren Trockenperioden ausreichend Ernte zu liefern, wird für Nutzpflanzen im Zuge des Klimawandels immer mehr an Bedeutung gewinnen. Wissenschaftler konnte nun zeigen, welche Signale zum Öffnen und Schließen der pflanzlichen Spaltöffnungen nötig sind. Damit schufen sie die Grundlage zur Züchtung von trockenresistenten Nutzpflanzen.

Das Klima auf der Erde verändert sich und bringt extremere Umweltverhältnisse für viele Anbauregionen mit sich. Massive Regenfälle, aber auch längere und häufigere Trockenperioden werden die Anforderungen an unsere Nutzpflanzen verändern.


Stomata sind winzige Spaltöffnungen der Epidermis. Sie regeln den internen und externen Gasaustausch. Das Bild zeigt die Stomata (grün) des Zebrakrauts (Tradescantia zebrina). (Bildquelle: © AioftheStorm/ wikimedia.org / CC0 1.0)

Zudem wollen immer mehr Menschen mit Grundnahrungsmitteln versorgt werden. Daher werden Nutzpflanzen, die trotz solcher Klimaextreme gute Ernteerträge liefern, an Bedeutung gewinnen. Um gezielt klimarobuste Pflanzen zu züchten, müssen Wissenschaftler zunächst verstehen, welche molekularen Mechanismen einer Pflanze Anpassungsfähigkeit verleihen. Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg haben diese am Beispiel der Trockentoleranz untersucht.

Wildpflanzen sind robuster

Kulturpflanzen wie Kartoffeln und Zuckerrüben halten Trockenheit sehr viel schlechter aus als Wildpflanzen. „Das ist ein Ergebnis der Züchtung auf hohe Erträge“, sagt Studienleiter 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.“

Frühe Landpflanzen entwickelten Trockentoleranz

Um zu verstehen, wie Pflanzen ihre Trockentoleranz auf molekularer Ebene steuern, lohnt ein Blick auf die Entstehungsgeschichte dieser Fähigkeit. Für Algen und Wasserpflanzen, die frühen pflanzlichen Erdbewohner, ist Trockenheit noch kein Thema. Erst als die Pflanzen im Laufe der Evolution das Land als Lebensraum eroberten, waren sie mit längeren Trockenperioden konfrontiert. Um diese Phasen zu überleben, mussten evolutionsgeschichtlich alte Landpflanzen wie Moose und Farne schon vor etwa 480 Millionen Jahren eine Toleranz gegen Austrocknung entwickeln.

Frühe Landpflanzen reagieren auf Trockenstress, indem sie das Hormon Abscisinsäure (ABA) bilden. ABA wiederum aktiviert Gene, die für bestimmte Schutzproteine codieren. Diese erlauben es den Pflanzen, einen starken Wasserverlust oder sogar ein völliges Austrocknen zu überleben.

Stomata regulieren den Wasserhaushalt

Die Blütenpflanzen, die in der Evolution auf Moose und Farne folgten, haben ein anderes System etabliert, um mit Trockenheit umzugehen: In ihren Blättern besitzen sie verschließbare Poren, die Stomata, mit deren Hilfe sie einen Wasserverlust sehr stark vermindern können. Auch hier schlägt das Stresshormon ABA bei Trockenheit Alarm, worauf sich die Spaltöffnungen in den Blättern schließen. Gesteuert wird dieser Prozess über Ionenkanäle in den beiden sichelförmigen Schließzellen der Stomata. Auf das Signal von ABA hin setzten diese Kanäle Ionen aus den Schließzellen frei. Auf diese Weise verringert sich der Zelldruck, die Poren schließen sich und die Pflanze verdunstet weniger Wasser. Zu großzügig darf sie dabei allerdings nicht sein. Denn geschlossene Poren bedeuten auch, dass weniger CO2 für die Energiegewinnung durch Photosynthese zur Verfügung steht.

Was genau an den Stomata abläuft, wenn eine Pflanze mit Trockenheit klarkommen muss, ist komplizierter als vermutet, wie die aktuelle Studie zeigt. 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 mit Namen 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 Co-Studienleiter Dietmar Geiger. Weitere Untersuchungen der Forscher zeigten, dass die SLAC1-Kanäle über einzelne Aminosäuren im Kanalprotein an- und abschaltbar sind.

Ahnenforschung zur Trockentoleranz

Auch die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Trockentoleranz wollen die Wissenschaftler beleuchten. „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.

Mit diesem Wissen arbeiten die Wissenschaftler nun daran, die Kanalproteine gezielt umzubauen. Diese Arbeit soll als Grundlage für spätere Züchtungsvorhaben dienen, in den Pflanzen mit verbesserter Trockentoleranz generiert werden sollen. Erste Versuche wollen die Forscher an Kartoffeln und Zuckerrüben durchführen.

Quelle:
Maierhofer, T. et al. (2014): Site- and kinase-specific phosphorylation-mediated activation of SLAC1, a guard cell anion channel stimulated by abscisic acid. In: Sci. Signal., Vol. 7, Issue 342, p. ra86, (9. September 2014), DOI: 10.1126/scisignal.2005703.

Maierhofer, T. et al. | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff
20.01.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

nachricht Leibwächter im Darm mit chemischer Waffe
20.01.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise