Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Pflanzen ihre CO2-Nutzung messen

27.08.2019

Trockenheit bedeutet für Pflanzen eine Gratwanderung: Sie müssen sich abschotten, um nicht zu viel Wasser zu verlieren, bekommen dann aber kaum Kohlendioxid ab. Ein Sensor-Netzwerk sorgt hier für die richtige Balance.

Bei Wassermangel können Pflanzen mit verschließbaren Poren verhindern, dass aus ihren Blättern zu viel Wasser entweicht. So überstehen sie selbst längere Dürreperioden.


Gasaustausch über die Stomata: Kohlendioxid wird aufgenommen, gleichzeitig werden pro aufgenommenem CO2-Molekül hunderte Moleküle Wasser (H2O) abgegeben.

Bild: Rainer Hedrich & Peter Ache / Universität Würzburg


Schematische Darstellung der Regelungsvorgänge an den Schließzellen.

Bild: Heike Müller & Peter Ache / Universität Würzburg

Allerdings können sie nicht besonders viel Kohlendioxid aufnehmen, wenn die Poren überwiegend geschlossen sind – das beeinträchtigt ihre Photosynthese-Leistung und damit das Wachstum und den Ertrag.

Bei Trockenheit zwischen Verdursten und Verhungern zu navigieren: Das schaffen Pflanzen mit einem ausgefeilten Netz von Sensoren. Ein internationales Team von Pflanzenwissenschaftlern um den Biophysiker Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg hat diese Sensoren jetzt ausfindig gemacht. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Plants veröffentlicht.

Mikroventile regeln Photosynthese und Wasserhaushalt

Ist genügend Licht da, öffnen Pflanzen die Poren in ihren Blättern, um Kohlendioxid (CO2) aufzunehmen, das sie dann mittels Photosynthese in Kohlenhydrate umwandeln. Gleichzeitig entweicht durch die Mikroventile etwa hundertmal mehr Wasser als Kohlendioxid nach innen strömt. Bei guter Wasserversorgung ist das kein Problem.

Wenn aber, wie im Hochsommer, der Boden austrocknet, heißt es „Wasser sparen“. Die Pflanzen öffnen ihre Poren dann nur solange für die Photosynthese, wie es zum Überleben gerade notwendig ist. Das Öffnen und Schließen der Poren übernehmen dabei spezialisierte Schließzellen, die jede Pore paarweise umgeben. Die Einheiten aus Poren und Schließzellen werden als Stomata bezeichnet.

Schließzellen haben Sensoren für CO2 und ABA

Die Schließzellen müssen die Photosynthese und die Wasserversorgung messen können, um passend auf die jeweilige Umweltbedingung zu reagieren. Das tun sie zum einen mit Rezeptoren für die CO2-Konzentration, die im Blatt herrscht. Steigt der CO2-Wert stark an, ist das ein Zeichen dafür, dass die Photosynthese nicht optimal läuft. Dann werden die Poren geschlossen, um nicht unnötig Wasser zu verdunsten. Fällt der CO2-Spiegel ab, öffnen sich die Poren wieder.

Die Wasserversorgung wird über ein Hormon gemessen. Bei Wassermangel bilden Pflanzen das Welkehormon Abscisinsäure (ABA) und versetzen ihren CO2-Regelkreis in den Wassersparmodus. Das läuft ebenfalls über die Schließzellen, die auch Rezeptoren für ABA haben. Steigt die Hormonkonzentration im Blatt an, gehen die Poren zu.

Das CO2-ABA-Netzwerk wird analysiert

Das Forschungsteam um Professor Hedrich wollte den Komponenten der Schließzell-Regelkreise auf die Spur kommen. Dazu wurden Arabidopsis-Pflanzen erhöhten Konzentrationen von CO2 oder ABA ausgesetzt. Das geschah über mehrere Stunden, um Reaktionen auf Ebene der Gene auszulösen. Danach wurden die Stomata aus den Blättern isoliert und die jeweiligen Genexpressionsprofile der Schließzellen mit Methoden der Bioinformatik analysiert. Für diese Aufgabe gab es Unterstützung durch die JMU-Bioinformatiker Dr. Tobias Müller und Dr. Marcus Dietrich.

Die beiden Experten stellten fest, dass sich die Muster der Genexpression unter hohen CO2- oder ABA-Konzentrationen stark voneinander unterscheiden. Ihnen fiel außerdem auf, dass sich bei viel CO2 auch die Expression von einigen ABA-Genen änderte. Das veranlasste das Forschungsteam, den ABA-Signalweg genauer unter die Lupe zu nehmen. Das besondere Interesse galt dabei den ABA-Rezeptoren der PYR/PYL-Familie (Pyrabactin-Receptor und Pyrabactin-like). Davon gibt es in Arabidopsis 14, sechs davon exprimieren in den Schließzellen.

Die ABA-Rezeptoren im Fokus

„Warum braucht eine Schließzelle gleich sechs Rezeptoren für ein einziges Hormon? Zur Beantwortung dieser Frage haben wir uns mit dem ABA-Rezeptorexperten Professor Pedro Luis Rodriguez von der Universität Madrid zusammengeschlossen“, so Hedrich. Rodriguez‘ Team erzeugte Arabidopsis-Varianten, in denen sich die ABA-Rezeptoren einzeln studieren ließen.

„Auf diese Weise konnten wir jedem der sechs ABA-Rezeptoren eine Zuständigkeit im Netzwerk zuordnen und einzelne Rezeptoren identifizieren, die für den ABA- und CO2-induzierten Stomaschluss zuständig sind“, erklärt Hedrichs Kollege Dr. Peter Ache.
Schließzellen rechnen mit ABA als Währung

„Aus den Ergebnissen folgern wir, dass die Schließzelle die aktuelle photosynthetische CO2-Fixierungsleistung mit dem Zustand des Wasserhaushalts über ABA als Währung verrechnet“, so Hedrich. „Wir nehmen an, dass bei guter Wasserversorgung die ABA-Rezeptoren den Basishormongehalt quasi als ‚stressfrei‘ bewerten und die Stomata für die CO2-Versorgung offenhalten. Bei Dürre erkennen die Trockenstress-Rezeptoren den erhöhten ABA-Gehalt und versetzen dann die Schließzellen in den Stomaschlussmodus, um das Verdursten zu verhindern.“

Als nächstes wollen die JMU-Forscher die besonderen Eigenschaften der ABA- und CO2-relevanten Rezeptoren untersuchen sowie deren Signalwege und Komponenten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I (Pflanzenphysiologie und Biophysik), Universität Würzburg, T +49 931 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Originalpublikation:

The role of Arabidopsis ABA receptors from the PYR/PYL/RCAR family in stomatal acclimation and closure signal integration. Marcus Dittrich, Heike M. Mueller, Hubert Bauer, Marta Peirats-Llobet, Pedro L. Rodriguez, Christoph-Martin Geilfus, Sebastien Christian Carpentier, Khaled A. S. Al Rasheid; Hannes Kollist; Ebe Merilo; Johannes Herrmann, Tobias Müller, Peter Ache, Alistair M. Hetherington, and Rainer Hedrich. Nature Plants, 26. August 2019, DOI: 10.1038/s41477-019-0490-0

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/wie-pflanzen-ihre-co2-nutzung-messen/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Die Mimik der Mäuse
03.04.2020 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

nachricht Schalter für DNA-Reparatur-Werkzeug entdeckt
03.04.2020 | Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg

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: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Im Focus: Sensationsfund: Spuren eines Regenwaldes in der Westantarktis

90 Millionen Jahre alter Waldboden belegt unerwartet warmes Südpol-Klima in der Kreidezeit

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Geowissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)...

Im Focus: A sensational discovery: Traces of rainforests in West Antarctica

90 million-year-old forest soil provides unexpected evidence for exceptionally warm climate near the South Pole in the Cretaceous

An international team of researchers led by geoscientists from the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI) have now...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungen

“4th Hybrid Materials and Structures 2020” findet web-basiert statt

26.03.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

03.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Pflanzenbestimmung mit Flora Incognita App im März verzehnfacht

03.04.2020 | Informationstechnologie

Hightech für Natur

03.04.2020 | Interdisziplinäre Forschung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics