Geschickte Kombination

Gräser bilden effiziente Stomata mit altbekannten Genen

18.07.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Das Süßgras Brachypodium distachyon ist ein beliebter Modellorganismus, da es zur Familie von bedeutenden Nutzpflanzen wie Reis und Weizen gehört. (Bildquelle: © Harry Rose/flickr; CC BY 2.0)
Das Süßgras Brachypodium distachyon ist ein beliebter Modellorganismus, da es zur Familie von bedeutenden Nutzpflanzen wie Reis und Weizen gehört. (Bildquelle: © Harry Rose/flickr; CC BY 2.0)

Lange Zeit war man sich nicht klar darüber, ob die Gene, die bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana für die Entwicklung von Spaltöffnungen (Stomata) an den Blättern verantwortlich sind, auch in anderen Pflanzen diese Funktion übernehmen oder ob die Pflanzen unterschiedliche genetische Baupläne besitzen. Nun konnten Wissenschaftler am Beispiel eines Süßgrases, der Zwenke, zeigen, dass auch sie auf die gleichen Gene zurückgreifen. Der einzige Unterschied: Sie kombinieren sie anders und erzeugen so Stomata, die nicht nur anders aussehen, sondern auch sehr effizient sind.

Durch Spaltöffnungen an den Blättern regulieren Pflanzen ihren Gasaustausch und Wasserhaushalt: Sie nehmen Kohlendioxid (CO2) aus der Umgebungsluft für die Photosynthese auf und geben Wasserdampf durch diese Poren in der Epidermis ab. Die Öffnungen werden durch zwei Schließzellen gebildet, die einen Spalt in der Mitte formen. Dieses System kann geöffnet oder bei Bedarf (z. B. bei Trockenheit) geschlossen werden und erinnert daher an einen Mund. Das ist der Grund, warum Spaltöffnungen auch Stomata genannt werden - Stoma ist das griechische Wort für „Öffnung“ oder eben „Mund“.   

Ein System, mehrere Erscheinungsformen

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Im Vergleich der Spaltöffnungen erkennt man klar die Unterschiede: Oben die hantelförmigen Stomata von Gräsern am Beispiel der Zwenke und unten die nierenförmigen Stomata wie sie bei vielen anderen Pflanzen, z. B. bei der Ackerschmalwand, gefunden werden können.

Bildquelle: © Michael Raissig and Dominique Bergman

Stomata haben bei allen Pflanzen dieselbe Funktion. Nur sehen sie mitunter etwas anders aus. Bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) - einem Kreuzblütengewächs und zudem bedeutendste Modellpflanze der Pflanzenforschung - sind die Schließzellen, wie bei den meisten anderen Pflanzen auch, bohnen- bzw. nierenförmig. Bei Gräsern erinnern die Zellen allerdings eher an Hanteln. Sie unterscheiden sich auch in der Anordnung. Bei Arabidopsis-Pflanzen sind die Öffnungen recht wahllos auf den Blättern verteilt, bei Gräsern sind sie akkurat in Reihen an der Blattspreite angeordnet.

Die Stomata von Gräser sind darüber hinaus effizienter in die Aufnahme von Kohlendioxid, während sie den Wasserverlust begrenzen, was auf ihre spezielle Form zurückzuführen ist. Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass die Form und Verteilung der Stomata bei Gräsern ein Grund für ihren enormen evolutionären Erfolg sei. Das macht sie für die Forschung besonders interessant.

Ein Team aus Wissenschaftlern hat nun an einem Vertreter der Süßgräser, der Zwenke (Brachypodium distachyon), überprüft, welche genetischen Grundlagen dort zur Bildung von Stomata führen und ob ähnliche Gene wie bei Arabidopsis am Werk sind. Denn fast alles was man über Stomata und ihre genetischen Grundlagen weiß, weiß man durch Versuche an der Modellpflanze.

Andere Kombination führt zu veränderten Stomata

Auch wenn sich die Stomata von Zwenken und Arabidopsis äußerlich und in der Verteilung auf den Blättern unterscheiden, die genetischen Grundlagen sind dieselben, wie die Forscher zeigen konnten. Zwenken nutzen orthologe von speziellen Transkriptionsfaktoren (einer Gruppe, die Basic Helix-Loop-Helix-Transkriptionsfaktoren, oder kurz: bHLH, genannt werden), die in Arabidopsis-Pflanzen für die Entwicklung von Stomata verantwortlich sind. Transkriptionsfaktoren steuern die Genexpression und bedingen, welche Gene aktiv oder inaktiv sind. Allerdings unterscheiden sich die Funktionen und das Verhalten der einzelnen involvierten Gene, die Regulation ihrer Proteinprodukte und die Interaktion der Gene untereinander im Vergleich zu Arabidopsis. Zusammengefasst verwenden die Pflanzen die gleichen Gene, nur auf unterschiedliche Weise.

Wissen für die Pflanzenzüchtung

Die Forscher hatten noch einen weiteren Grund einen Vertreter der Süßgräser als Versuchsobjekt auszuwählen: Zu dieser Familie von Pflanzen zählen auch wirtschaftlich sehr bedeutende Nutzpflanzen wie Reis, Mais oder Weizen. Zwenken sind daher ein beliebtes Modellsystem, um Getreide zu erforschen – zumal die Zwenke ein sehr kleines Genom hat, das auch bereits sequenziert wurde (Vgl. „Tief in die Gene geschaut“). Die Wissenschaftler verbinden mit den neuen Erkenntnissen nun die Hoffnung, künftig den landwirtschaftlichen Ertrag der wirtschaftlich bedeutenden Süßgräser weiter zu verbessern, indem sie Pflanzen mit effizienteren Stomata entwickeln. Nun sind die Regulatoren der Stomata bei Gräsern bekannt und könnten als Stellschraube für Züchtungsprogramme zum Einsatz kommen.

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