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Zum Glück essen wir Gras

Landwirtschaft

Warum Getreide trockentoleranter als andere Pflanzen ist

Ionen-Shuttle an der Stomata
Ablauf an der Blattöffnung (Stomata) eines Grases. Beim öffnen und schließen wird ein Ionen-Shuttle aktiv, der diese zwischen den Wächter- und Helferzellen hin und her transportiert; Foto: Dietmar Geiger

80 Prozent unserer Nahrungsmittel, wie Gerste, Weizen, Mais und Reis gehören zu den Gräsern. Sie bilden die Hauptsäule der menschlichen Ernährung. Getreide ist toleranter gegenüber Trockenheit als andere Nahrungspflanzen. Weshalb das so ist, haben Wissenschaftler der Universität Würzburg ermittelt.

Das Forscherteam um Prof. Rainer Hedrich von der Julius-Maximilian-Universität Würzburg hat bei Gerste zwei Aminosäuren entdeckt, die in ihrem dualen Komplex das entscheidende Protein SLAC1 aufbauen. Hedrich will jetzt herausfinden, ob die beiden Aminosäuren auch andere Pflanzen wie den Nachtschattengewächsen Tomaten und Kartoffeln sowie dem Kreuzblütler Raps zu mehr Trockentoleranz verhelfen können.

Wächterzellen an den Stomata

Blätter weisen mit den so genannten Stomata Blattöffnungen auf, über die Pflanzen den Gasaustausch und die Feuchtigkeit regulieren können. So atmen Pflanzen das für die Photosynthese wichtige Kohlendioxid über die Blattöffnungen ein. Muss die Pflanze Wasser sparen, steigt der Zelldruck in den Wächterzellen und verschließt die Blattöffnungen. Dann verdunstet die Pflanze weniger.

Für diese Regulierung werden Ionenkanäle in den Membranproteinen genutzt. So wirkt SLAC1 wie ein verschließbarer Tunnel für den Ionenstrom in die Zelle. Genaues Verständnis über den Mechanismus des Ionenstroms sei Schlüssel für die gezielte Effizienz der Trockentoleranz von Pflanzen. Eine Steuerung macht die Pflanzen widerstandsfähiger und kann zu höheren Erträgen führen.

Gegenüber anderen Pflanzenfamilien haben Gräser gleich zwei Wächterzellen. Diese werden sogar noch von zwei Helferzellen begleitet. Wenn sich die Pore schließt, nehmen die Helferzellen Kalium und Chlor auf und speichern es. Sie drücken die Ionen beim Öffnen der Pore wieder zurück. Die Helferzellen sind das dynamische Reservoir zur Regulierung des osmotischen Drucks. „Dieser Ionen-Shuttle zwischen Helferzellen und Wächterzellen erlaubt den Pflanzen eine effiziente Kontrolle über die Blattöffnung zu gewinnen“, erklärt Mitautor Prof. Dietmar Geiger.

Abscisinsäure

Das Pflanzenhormon Abscisinsäure ist ebenfalls essentiell beim Wassersparen beteiligt. Bei Wasserknappheit bildet die Pflanze dieses Stresshormon (ABA), das den Ionen-Tunnel SLAC1 aktiviert.  Steigt der Abscisinspiegel, schließt sich die Stomata innerhalb von Minuten. Dazu muss die Pflanze ausreichend Nitrat zur Verfügung haben, ergänzt Dr. Peter Ache. Die untersuchte Braugerste hat über den Nitratgehalt ihre Photosyntheseaktivität für die Energiegewinnung optimiert. Die Pflanze kann also über Nitrat die Photosyntheserate und über ABA die Wasserverfügbarkeit messen. Die Braugerste reguliert besser als alle anderen Pflanzen ihren Stoffwechsel zwischen den Extremen „Hungertod“ und „Trockentod“.

Von den Moosen gelernt

Die beiden Aminosäuren, die ganz am Anfang der komplexen Wechselwirkung stehen, tauchen im Lauf der Evolution erstmals in Moosen auf. Gräser haben den Prozess weiter optimiert. Ob andere Pflanzen künftig von den Entdeckungen profitieren können, werden die Wissenschaftler vom Institut für Biotechnologie an der Ackerschmalwand ausprobieren. Bei der in Pflanzenexperimenten sehr beliebten Versuchspflanze werden Exemplare mit geringem SLAC1-Tunnel mit dem Braugerstentunnel versehen und überprüft, ob sie dann trockentoleranter sind. Die Forschung findet im Rahmen des bayerischen Klimaforschungsprogramms BayKlimaFit statt.

Lesestoff:

“A tandem amino acid residue motif in guard cell SLAC1 anion channel of grasses allows for the control of stomatal aperture by nitrate”. Nadine Schäfer, et al. Current Biology, 26 April 2018, DOI: 10.1016/j.cub.2018.03.027

Roland Krieg; Foto: Dietmar Geiger (Uni Würzburg)

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