Überleben trotz extremer Trockenheit
Die Geheimnisse von „Wiederauferstehungspflanzen“
Die „Wiederauferstehungspflanze“ Craterostigma plantagineum im Borakalalo Game Reserve, Südafrika (Bildquelle: © By JMK - Own work / wikimedia / CC BY-SA)
Einige Pflanzen können monatelang ohne Wasser überleben. Beim nächsten Regen gelingt ihnen dann die „Wiederauferstehung“. Neue Forschungsergebnisse zeigen jetzt, welche besonderen Gene dafür verantwortlich sind. Können davon auch Nutzpflanzen profitieren?
Wasser ist für alle Lebewesen überlebenswichtig. Wir Menschen halten es keine drei Tage ohne Wasser aus und auch die meisten Pflanzen müssen regelmäßig gegossen werden, damit sie nicht eingehen.
Einige Pflanzen jedoch haben sich an Umgebungen mit langen Trockenperioden angepasst. Am bekanntesten sind die Kakteen, die in ihren verdickten Sprossachsen und Blättern große Mengen Wasser speichern können. Weniger gut erforscht sind die sogenannten „Wiederauferstehungspflanzen“. Diese können nahezu ihr gesamtes Wasser verlieren und ihren Stoffwechsel auf ein Minimum herunterfahren. Ist wieder Wasser verfügbar, „rebooten“ sie den Stoffwechsel und wachsen weiter.
Verschiedene Programme zur Wiederauferstehung
Die unechte Rose von Jericho ist auch eine Wiederauferstehungspflanze, weil sie bei Kontakt mit Wasser zwar ihre Blätter ausbreitet und Samen freilässt, jedoch keinen aktiven Stoffwechsel mehr aufnimmt.
Bildquelle: © Kristian Peters / wikimedia / CC BY-SA 3.0
Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat jetzt das komplexe oktaploide Genom der Wiederauferstehungspflanze Craterostigma plantagineum genauer untersucht. Sie analysierten dazu die Genexpressionsprofile der Wurzel- und Blattgewebe unter verschiedenen Bedingungen: ausreichend bewässert, leichter Wassermangel, ausgetrocknet und rehydriert. Dabei fanden sie heraus, dass während der Austrocknungsphase gleichmäßig etwa 38 Prozent aller Gene umprogrammiert werden.
In der Erholungs-Phase (Rehydrierung) mit ausreichender Wasserversorgung zeigte sich hingegen ein anderes Bild: Jetzt wurden in Wurzeln und Blättern ganz unterschiedliche Gene exprimiert. „Der Unterschied liegt darin begründet, dass die beiden Organe sehr unterschiedliche Funktionen haben“, sagt Dorothea Bartels, Professorin emerita für Molekulare Physiologie an der Universität Bonn, die die Studie geleitet hat. Die Blätter betreiben zum Beispiel Photosynthese, während die Wurzeln mit Aufnahme und Transport von Wasser und Nährstoffen aus dem Boden beschäftigt sind. Für diese unterschiedlichen Aufgaben braucht man ein unterschiedliches Portfolio von Proteinen und daher auch ein anderes Muster der Genaktivitäten.
LEAs und ELIPs
Bei der Austrocknung werden unter anderem die Gene für die sogenannten LEA-Proteine (Late Embryogenesis Abundant) und ELIP-Proteine (Early Light-Induced Proteins) aktiv. Letztere schützen das Pflanzengewebe vor zu viel Sonnenlicht, dem die Pflanzen während der Austrocknung meist ausgesetzt sind. Die ELIPs spielen eine essenzielle Rolle bei der Evolution von Austrocknungstoleranz. Ob die Duplikation dieser Gene jedoch die Austrocknungstoleranz induziert hat oder ob sie lediglich die Fitness der Linien steigert, die aufgrund von anderen Genen bereits eine hohe Austrocknungstoleranz besitzen, ist unklar.
So sieht die unechte Rose von Jericho im ausgetrockneten Zustand aus.
Bildquelle: © Kristian Peters / wikimedia / CC BY-SA 3.0
Außerdem zeigte sich, dass die homologen Gene aus dem oktaploiden Genom unterschiedliche Expressionsprofile aufweisen. Das deutet darauf hin, dass die Subgenome unterschiedlich stark zur Austrocknungstoleranz beitragen. Schließlich verglichen die Wissenschaftler:innen auch noch die Transkriptome von Craterostigma mit zwei engen Verwandten: der austrocknungsresistenten Lindernia brevidens sowie der austrocknungssensitiven Lindernia subracemosa. Dabei zeigte sich, dass beide Wiederauferstehungspflanzen während der Austrocknungsphase sehr ähnliche Gene nutzten. Während der Rehydrierungsphase war das jedoch nicht so.
Bartels forscht schon seit vielen Jahrzehnten an Wiederauferstehungspflanzen. Sie hofft, dass ihre Forschung dazu beitragen kann, auch Nutzpflanzen besser an längere Trockenperioden anzupassen.
„Durch unsere und die Forschungen anderer Gruppen sollte es möglich sein, bestimmte Zielgruppen von Genen zu identifizieren, mit denen auch Nutzpflanzen in einem überlebensfähigen Zustand verharren können, wenn Wassermangel herrscht. Es wird aber nicht der Fall sein, dass Nutzpflanzen sich genauso wie Wiederauferstehungspflanzen verhalten.“
Die Austrocknungstoleranz ist eine alte Eigenschaft, die sich vermutlich bereits beim Landgang der ersten Pflanzen entwickelt hat. Die meisten Linien der samenlosen Pflanzen, wie Algen, Flechten und Moose, sind auch heute noch resistent gegenüber Austrocknung. Bei den höher entwickelten Blütenpflanzen hingegen ist diese Eigenschaft nahezu vollständig verlorengegangen.
Quellen:
- VanBuren, R., et al.: Core cellular and tissue-specific mechanisms enable desiccation tolerance in Craterostigma. In: The Plant Journal (27. 02. 2023), https://doi.org/10.1111/tpj.16165
- Kirschner, G. K.: The miracle of resurrection: core mechanisms of desiccation tolerance in Craterostigma. In: The Plant Journal (08. 04. 2023), https://doi.org/10.1111/tpj.16192
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Titelbild: Die „Wiederauferstehungspflanze“ Craterostigma plantagineum im Borakalalo Game Reserve, Südafrika (Bildquelle: © By JMK - Own work / wikimedia / CC BY-SA)
