Geringe Luftfeuchtigkeit gibt das Signal zum Abschotten

Pflanzenblätter werden von den Wurzeln gewarnt, wenn der Boden austrocknet. Dann müssen sie Wasser sparen: Sie verschließen ihre Spaltöffnungen an der Blattoberfläche und geben so keinen Wasserdampf mehr ab, der bei der Photosynthese entsteht. Forscher entdeckten nun, dass der Botenstoff, der die Schließung veranlasst, auch in den Spaltöffnungen selbst erzeugt wird. Dadurch können die Blätter bereits bei sinkender Luftfeuchtigkeit reagieren.

Spaltöffnungen, auch Stomata genannt, sind Poren in der äußeren Gewebeschicht (Epidermis) von Pflanzen. Sie bestehen aus zwei bohnenförmigen Schließzellen, die die Spaltöffnungen öffnen, aber auch schließen können. Bei der Photosynthese nimmt die Pflanze über diese Poren an den Blättern Kohlendioxid (CO2) auf und gibt dabei Wasserdampf an die Umgebung wieder ab. 

Pflanzen schützen sich vorm Austrocknen

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Bei Trockenheit reguliert die Pflanze die Spaltöffnungen aktiv: Sie werden geschlossen, um zu verhindert, dass die Pflanze mehr Wasser abgibt, als sie aufnehmen kann. „Bereits 1889 hat Francis Darwin festgestellt, dass Pflanzen schon allein beim Abfall der Luftfeuchtigkeit die Schotten dicht machen, und zwar noch bevor der Boden austrocknet“, sagt Prof. Rainer Hedrich, Inhaber des Lehrstuhls für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Universität Würzburg, der an der vorliegenden Studie beteiligt war. Somit reagieren also die Blätter bereits vor dem Warnsignal aus den Wurzeln auf die geänderten, trockeneren Bedingungen.

An der Schließung der Spaltöffnungen ist das Pflanzenhormon Abszisinsäure (ABA) maßgeblich beteiligt. Es wird gebildet, wenn die Pflanze außergewöhnlichen Belastungen ausgesetzte ist. Dann empfindet sie Stress, z.B. durch starke Trockenheit (Trockenstress). Bisher ging man davon aus, dass die Schließzellen das Stresshormon ABA von außen aufnehmen müssen. 

Um zu untersuchen, ob die Schließzellen das Pflanzenhormon auch in Eigenregie bilden können, untersuchte nun ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Universität Würzburg wie sich die Spaltöffnungen verhalten, wenn die Luft um sie herum trockener wird.

Schließzellen verfügen über alle nötigen Gene

Die Forscher analysierten zunächst das Erbgut der Schließzellen und endeckten, dass die Gene, die zur Bildung von ABA benötigt werden vorhanden sind. Dazu betrachteten sie das sogenannte Transkriptom, also die Gesamtheit aller RNA-Moleküle, die durch das ablesen (Transkription) der Gene in den Schließzellen entstanden sind.

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Einige wichtige Gene für die Bildung des Hormons wurden zudem bei sinkender Luftfeuchtigkeit aktiver. Daher testeten die Forscher im nächsten Schritt experimentell, wie Arabidopsis-Pflanzen (Arabidopsis thaliana) auf ein Absinken der relativen Luftfeuchtigkeit reagieren.

Geringe Luftfeuchtigkeit lässt die Spaltöffnungen aktiv werden

Die Forscher verglichen dabei Arabidopsis-Wildpflanzen mit Arabidopsis-Mutanten, denen ein Gen zur Produktion von ABA fehlte. Die Blätter der Mutanten, die nicht in der Lage waren das Stresshormon ABA herzustellen, verwelkten im Gegensatz zu den Wildpflanzen in kürzester Zeit - innerhalb von drei Stunden nachdem die relative Luftfeuchtigkeit auf 20 Prozent gesenkt wurde. Beim Wildtyp wird ABA in den Schließzellen und anderem Gewebe gebildet, wodurch die Spaltöffnungen geschlossen werden und die Blätter aufrecht bleiben. Durch die Schließung der Spaltöffnungen kann die Pflanze den Zellinnendruck (Turgor) und so die Zellspannung aufrechterhalten. Sinkt dieser Druck allerdings werden die Blätter schlaff, sie welken. 

Die Forscher manipulierten die Mutanten daraufhin so, dass sie das Stresshormon wieder, jedoch nur in den Schließzellen, produzieren konnten. Dadurch wollten sie testen, ob die Schließzellen eigenständig ABA bilden können und falls ja, ob das gebildete ABA für die Schließung der Spaltöffnungen ausreicht. Entsprechend ihrer Erwartungen, verwelkten die Blätter der Mutanten nun nicht mehr bei trockener Luft. Die autonome Bildung des Hormons in den Schließzellen ist also ausreichend, damit die Blätter der Pflanzen ihre Spaltöffnungen verschließen und sich so vor dem Austrocknen schützen können.

„Als nächstes wollen wir herausfinden, wie Pflanzen die Änderung der Luftfeuchtigkeit wahrnehmen und wie dieser potenzielle Sensor die Synthese von Abszisinsäure in Gang setzt“, berichtet Rainer Hedrich von den künftigen Forschungsplänen. Neben der Ackerschmalwand sollen dann auch Dattelpalmen untersucht werden, weil sie an extrem trockenen und heißen Standorten gedeihen und dabei sogar beachtliche Erträge bringen.

Trockentolerante Pflanzensorten sind wichtig für die Zukunft

Die Nahrungsmittelgrundlage zu sicher, ist vor dem Hintergrund einer stetig wachsenden Weltbevölkerung eines der zentralsten Anliegen. Steigende Temperaturen und geringere Niederschläge, beeinflussen jedoch das Wachstum unserer Nutzpflanzen schon heute nachteilig. Der Klimawandel macht einigen Pflanzen schwer zu schaffen und kann zukünftig vermehrt zu Missernten und geringeren Erträgen führen.

Daher erforschen Wissenschaftler natürliche Anpassungsmechanismen von Pflanzen. Versteht man die genauen Abläufe, die den Pflanzen helfen sich besser an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen sowie deren genetische Grundlage, kann man dieses Wissen für die Züchtung von toleranteren Sorten nutzen. Trockentoleranz ist dabei eine wichtige Eigenschaft, die zukünftig noch mehr an Bedeutung gewinnen wird.