Wie Pflanzen ihre CO2-Nutzung messen - Wissen

(2.9.2019) 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. 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.

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.

„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
(JMU)

Weiterführende Informationen:
• Julius-Maximilians-Universität (JMU)