Silberbaumgewächse sind Phosphat-Sparmeister

Pflanzen auf den ausgelaugten Böden Westaustraliens haben eine besondere Strategie entwickelt, um mit dem Mangel an Phosphor zurechtzukommen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam haben gemeinsam mit Kollegen von der University of Western Australia, Perth, herausgefunden, dass Silberbaumgewächse aus der Familie der Protaceae besonders bei der RNA der Ribosomen (rRNA) den Rotstift ansetzen. Die Proteinfabriken der Zelle beanspruchen nämlich den meisten Phosphor. Dadurch sparen sie gleichzeitig Phosphor und Wasser. Da die weltweiten Phosphorreserven rasant zur Neige gehen, könnten die Strategien der Proteaceae für die züchterische Optimierung von Nutzpflanzen interessant sein.

Als Pflanze in Westaustralien muss man hart im Nehmen sein. Es ist drückend heiß, regnet nur äußerst selten und Phosphor in Form von Phosphat sucht man im Boden vergeblich. Dabei ist dieses Element überlebenswichtig. Es heftet sich an Zucker und Proteine, ist Bestandteil von Erbsubstanz, Zellmembran und auch der Energiewährung ATP. Herrscht Phosphormangel, erlahmt die Fotosynthese und die Pflanzen wachsen kaum.

Doch nicht so bei einigen Pflanzen aus der Familie der Silberbaumgewächsen. „Diese Pflanzen wachsen auf Böden, die hundert Mal weniger Phosphat enthalten als ungedüngte Böden in Europa“, erklärt Mark Stitt, einer der Autoren der Studie. Das liegt einerseits an ihren Wurzeln, die äußerlich an Toilettenbürsten erinnern und mit ihren feinen Härchen jedes Phosphoratom aus dem Boden saugen. Außerdem sind die Pflanzen besonders sorgsam mit dem wenigen verfügbaren Phosphor.

Sie sparen hauptsächlich an den Nukleinsäuren, die 30 bis 50 Prozent des gesamten Phosphors der Zelle auf sich vereinen. Besonders bei der ribosomalen RNA, einem Baustein der Proteinfabriken, wird der Rotstift angesetzt. Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana besitzt im Vergleich mit den Proteaceae zwei bis vier Mal mehr Ribosomen in ihren ausgewachsenen Blättern, bei jungen Blättern sind es sogar 10 bis 40 Mal so viele. Weniger Ribosomen produzieren weniger Proteine und Enzyme und somit wächst die Pflanze zwar langsamer, zeigt aber keine Symptome von Phosphormangel. Nur ein Zuviel könnte ihnen gefährlich werden.

„Die Pflanzen lassen sich zu Tode düngen, denn sie können die Aufnahme von Phosphat nicht stoppen“, erklärt Mark Stitt. Andere Pflanzen machen bei Überdüngung einfach die Schotten dicht. „Bisher wissen wir nicht, warum die auf Phosphormangel spezialisierten Proteaceae das nicht mehr können.“ Vermutlich sind sie einfach noch nie in so eine Situation gekommen, denn die Böden Westaustraliens sehr alt und verwittert und weder Vulkanausbrüche noch Menschen oder Tiere haben in der Vergangenheit Phosphat hinzugefügt.

Auch bei der Ausbildung neuer Blätter gehen die Pflanzen extrem ökonomisch vor. Anstatt gleichzeitig in das Wachstum und die Ausbildung der Fotosynthese-Apparate zu investieren, was eine Unmenge an Ribosomen und somit Phosphor binden würde, kümmern sie sich zuerst um die Ausbildung des Blattes, später um die Herstellung des grünen Chlorophylls.

Als nächstes wollen die Forscher herausfinden, ob der Mensch die Strategien der Proteaceae zur effizienteren Phosphornutzung auch bei Nutzpflanzen einsetzen könnte oder ob nachteilige Eigenschaften wie zum Beispiel ein geringerer Ertrag damit verbunden sind.

Phosphor kommt auf der Erde sehr selten vor, und die Vorkommen konzentrieren sich auf sehr kleine geografische Gebiete: In Marokko und der Westsahara lagern knapp 75 Prozent des gesamten Phosphorgesteins, weiter 15 Prozent verteilen sich auf China, Algerien, Syrien, Südafrika und Jordanien.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Mark Stitt
Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-8100
Fax: +49 331 567-8101
E-Mail:mstitt@mpimp-golm.mpg.de
Claudia Steinert
Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-8275
Fax: +49 331 567-8408
E-Mail:Steinert@mpimp-golm.mpg.de
Originalpublikation
Ronan Sulpice, Hirofumi Ishihara, Armin Schlereth, Gregory R. Cawthray, Beatrice Encke, Patrick Giavalisco, Alexander Ivakov, Stéphanie Arrivault, Ricarda Jost, Nicole Krohn, John Kuo, Etienne Laliberté, Stuart J. Pearse, John A. Raven, Wolf-Rüdiger Scheible, François Teste, Erik J. Veneklaas, Mark Stitt, Hans Lambers
Low levels of ribosomal RNA partly account for the very high photosynthetic phosphorus-use efficiency of Proteaceae species

Plant Cell Environment, Online Pub DOI: 10.1111/pce.12240.