Wie Pflanzen lernten, Wasser zu sparen

Winzige Poren in den Blättern von Pflanzen, die als Stomata bezeichnet werden, haben einen riesigen Einfluss auf den Zustand unseres Planeten.

Durch die Stomata nehmen die Pflanzen Kohlendioxid auf, bauen es in Kohlenhydrate ein und setzen Sauerstoff frei. Aber: Durch die Stomata verlieren sie auch Wasser an die Umgebung. Bei Trockenheit kann das ihr Leben bedrohen.

Pflanzen haben darum komplexe Signalwege entwickelt, um die Öffnungsweite ihrer Blattporen bestmöglich an die jeweiligen Umweltbedingungen anzupassen.

Je nach Verfügbarkeit von Licht, Kohlendioxid und Wasser können sie die Stomata öffnen oder schließen. Wie haben sich die hierfür verantwortlichen Signalwege in der Evolution entwickelt? Das wird an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) im Team des Pflanzenwissenschaftlers Rainer Hedrich erforscht.

„Wir sammeln und analysieren dafür Daten von verschiedenen Pflanzenarten“, sagt Professor Hedrich. Er ist davon überzeugt, dass der Aufwand sich lohnt:

„Das Wissen über die Evolution dieser Signalwege wird wahrscheinlich zur Züchtung von Nutzpflanzen beitragen, die mit weniger Wasser wachsen können.“

Das sei ganz im Sinne einer nachhaltigeren Landwirtschaft – schließlich verdunstet über die Blattporen der Großteil des wertvollen Trinkwassers, das Pflanzen über Bewässerungssysteme zugeführt wird. Auch angesichts des Klimawandels könnten Pflanzen von Nutzen sein, die gut mit Trockenheit zurechtkommen.

Geschichte wichtiger Gene rekonstruiert

Den aktuellen Wissensstand über die Signalwege, mit denen Pflanzen ihren Wasserhaushalt regulieren, fassen Dr. Frances Sussmilch, Professor Jörg Schultz, Professor Hedrich und Privatdozent Dr. Rob Roelfsema jetzt im Fachjournal „Trends in Plant Science“ zusammen.

Das JMU-Team hat die Evolutionsgeschichte wichtiger Gene rekonstruiert, die bei Blütenpflanzen die Bewegung der Stomata kontrollieren. Es stellte sich heraus, dass die meisten dieser Gene evolutionsbiologisch zu alten Genfamilien gehören, die in allen Pflanzengruppen einschließlich der Grünalgen vorkommen. Vermutlich haben sich diese Gene schon entwickelt, bevor die ersten Pflanzen als Moose und Farne das Land besiedelten.

Die Forscher fanden aber auch heraus: Einige spezifische Gene, die das Öffnen und Schließen der Blattporen als Reaktion auf Licht und Kohlendioxid steuern, haben sich wahrscheinlich erst bei den Blütenpflanzen entwickelt, nachdem diese in der Evolution von einem gemeinsamen Vorfahren mit den Farnen getrennt wurden.
 
Spezifische Signalgene in den Schließzellen

Bei ihrer Arbeit haben die JMU-Wissenschaftler auch die sogenannten Schließzellen im Blick. Diese beiden Zellen umgrenzen jede Blattpore. Wird in den Schließzellen hydraulischer Druck aufgebaut, gehen die Stomata auf. Lässt der Druck in den Schließzellen wieder nach, gehen sie zu.

In den Schließzellen von Blütenpflanzen sind die Produkte bestimmter Signalgene in viel höherer Konzentration oder Ausprägung zu finden als in den umgebenden Blattzellen. Diese Besonderheit ihrer Signalketten erlaubt es wahrscheinlich, den hydraulischen Druck in den Schließzellen zu steuern.

Die Forscher haben sich auch gefragt, von welchen Strukturen diese Signalkettenkomponenten abstammen und wann sie schließzellspezifisch wurden. Um der Sache auf den Grund zu gehen, haben sie das Moos Physcomitrella patens untersucht. „Wir haben festgestellt, dass keines der interessierenden Moosgene spezifisch für porentragende Organe ist, stattdessen wurden alle diese Gene auch in Geweben exprimiert, die keine Poren haben“, sagt Frances Sussmilch. Rob Roelfsema und Jörg Schultz ergänzen: „Signalgene mit spezifischen Rollen in Schließzellen sind wahrscheinlich später in der Pflanzenentwicklung entstanden, nach der Abspaltung der Moose von einem Vorfahren, den sie mit den Blütenpflanzen gemeinsam haben.“

PD Dr. Rob Roelfsema, Lehrstuhl für Botanik I – Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, JMU, T +49 931 31-86121, roelfsema@botanik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I – Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, JMU, T +49 931 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Acquiring control: the evolution of stomatal signalling pathways. Trends in Plant Science, 20. Februar 2019, DOI 10.1016/j.tplants.2019.01.002