Giftiges Gas kurbelt Biomasseproduktion an

Schwefelwasserstoff kann das Pflanzenwachstum verbessern

19.04.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Mit H2S behandelte Bohnensamen entwickelten sich 96 Stunden nach der Keimung wesentlich schneller (rechts), als die unbehandelte Kontrollgruppe (links). (Quelle: © Frederick Dooley/University of Washington)
Mit H2S behandelte Bohnensamen entwickelten sich 96 Stunden nach der Keimung wesentlich schneller (rechts), als die unbehandelte Kontrollgruppe (links). (Quelle: © Frederick Dooley/University of Washington)

Eigentlich wollten Wissenschaftler die Auswirkungen des giftigen Gases Schwefelwasserstoff auf Pflanzen untersuchen, nutzten dabei aber versehentlich nur ein Zehntel der ursprünglich geplanten Konzentration und siehe da: Das sonst hoch giftige Gas, half den Pflanzen früher zu Keimen und größere Keimlinge auszubilden. Von mehr Biomasse könnte der Lebensmittelsektor profitieren.

Schwefelwasserstoff (H2S) ist ein giftiges und übel riechendes Gas, das für den charakteristischen Gestank fauler Eier sorgt. Das Gas ist nicht nur für Menschen und Tiere, sondern auch für Pflanzen toxisch. Es ist mutmaßlich an mehreren Massenaussterben im Laufe der Erdgeschichte verantwortlich, wie das am Ende der erdgeschichtlichen Periode Perm vor über 250 Millionen Jahren, bei dem mehr als drei Viertel aller Arten von unserer Erde verschwanden.

Die Dosis macht das Gift

Durch Zufall entdeckten Forscher bei Untersuchungen eine weitere Wirkung des Gases: Setzt man Pflanzen sehr geringen Konzentrationen des Gases aus, wachsen sie schneller. Als sie die Wirkung des Gases auf Pflanzen untersuchen wollten, lösten die Forscher versehentlich nur ein Zehntel der geplanten Konzentration in Wasser auf.

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Zwei Wochen nach der Keimung waren behandelte Bohnenpflänzchen wesentlich größer (oben), als unbehandelte (unten).

Zwei Wochen nach der Keimung waren behandelte Bohnenpflänzchen wesentlich größer (oben), als unbehandelte (unten).

Bildquelle: © Frederick Dooley/University of Washington

Danach starteten sie eine ganze Versuchsreihe: Sie lösten geringste Konzentrationen (10-100 Mikromol, µM) Schwefelwasserstoff in (deionisiertem) Wasser und gossen damit unterschiedliche Pflanzenarten (Gartenbohne (Phaseolus vulgaris), Erbse (Pisum sativum), Mais (Zea mays L.) und Weizen (USU-Apogee). Dabei nahmen die Versuchspflanzen das Wasser entweder über die Samen oder die Wurzeln auf.

Positive Wirkung auf das Pflanzenwachstum

Die Samen der Versuchspflanzen keimten früher. Beispielsweise die Weizensamen waren bereits nach ein bis zwei Tagen gekeimt, die Kontrollgruppe schaffte dies erst nach drei bis vier Tagen. Die Keimlinge der Versuchspflanzen waren zudem größer verglichen mit der Kontrollgruppe, die mit purem Wasser gegossen wurde. Sie wuchsen nicht nur höher, sondern bekamen auch dickere Wurzeln, größere Früchte und Blätter und nahmen somit signifikant an Biomasse zu. Die Forscher schauten daraufhin auch etwas genauer hin: Einzelne Blattzellen in behandelten Pflanzen waren 13 Prozent kleiner als die der Kontrollgruppe, allerdings gab es davon auch mehr!

„Sie keimen schneller und produzieren Wurzeln und Blätter schneller. Was wir im Wesentlichen gemacht haben, ist den gesamten pflanzlichen Entwicklungsprozess zu beschleunigen“, fasste Frederick Dooley zusammen, ein Doktorand der Universität von Washington, der die Studie leitete. Erst ab einer Konzentration von 50 mM wirkte H2S toxisch und die Pflanzen stellten ihre Photosynthese ein.

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Ein Zeitraffer-Video zeigt die Entwicklung eines Weizensamens (USU-Apogee), der mit einer niedrigen Dosis von Schwefelwasserstoff behandelt wurde (rechts). Dieser wächst im Vergleich zu einem unbehandelten Samen (links) deutlich schneller.

Bildquelle: www.youtube.de

Warum das eigentlich giftige Gas in geringen Konzentrationen positive Auswirkungen auf die Pflanzen hatte ist noch nicht geklärt und bedarf weiterer Forschung. Die Forscher vermuten, dass H2S einen hormonellen Signalweg regulieren oder einen Transkriptionsfaktor beeinflussen könnte, der wiederum für die Zellbildung verantwortlich ist.

Vermutlich ist der Wachstumsvorteil ein evolutionärer Mechanismus, um auf Veränderungen der Atmosphäre reagieren zu können, schreiben die Wissenschaftler in ihrer Studie. In vorausgegangenen Studien fand man heraus, dass größere Pflanzen einen Vorteil haben. Je größer eine Pflanze ist, desto besser sind ihre Überlebenschancen bei einem Kontakt mit dem giftigen H2S. Ein Anstieg der Wachstumsraten von einigen Pflanzen könnte ein Weg sein, sich bei atmosphärischen Veränderungen wie der Zunahme von H2S zu wehren und einem Massenaussterben entgegenzuwirken.

Mehr Biomasse bedeutet größere Erträge

Die Experimente legen nahe, dass kleinste Mengen Schwefelwasserstoff die pflanzliche Entwicklung ankurbeln und den Biomasseertrag steigern. Was genau auf molekularer Ebene in der Pflanze passiert und ob geringen Mengen an Schwefelwasserstoff auch unerwünschte Nebenwirkungen haben, ist jedoch noch ungeklärt. Es bleibt daher abzuwarten, ob Schwefelwasserstoff auch eine geeignete Wachstumshilfe für die Nahrungsmittelproduktion werden könnte.

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