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

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.

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.