Kohlendioxid-Sensor beeinflusst Pflanzenatmung

Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in San Francisco (UCSF) haben Sensor-Proteine in Blättern entdeckt und genetisch so optimiert, dass für die Kohlendioxidaufnahme weniger Wasser verdunstet. Sie sehen darin großes Potential für die Zukunft.

Durch den Klimawandel müssen pflanzen voraussichtlich mit mehr Kohlendioxid (CO2) und größerer Trockenheit umgehen. Wassersparende Pflanzen werden dann vor allem in trockenen Gegenden von großem Vorteil sein.

Der Gasaustausch der Pflanzen findet über winzige Spaltöffnungen auf der Blattoberfläche statt. Darüber nehmen sie Kohlendioxid für die Photosynthese auf und geben Sauerstoff ab. Allerdings verliert die Pflanze bei der Aufnahme eines einzigen CO2-Moleküls hunderte Wassermoleküle. Ist die CO2-Konzentration der Umgebung erhöht, schützt sich die Pflanze, indem sich die Spaltöffnungen leicht schließen. Es kann dann zwar noch genügend Kohlendioxid aufgenommen werden, doch der Wasserverlust wird verringert. In der aktuellen Studie des Teams um Julian Schroeder von der UCSF haben die Wissenschaftler entdeckt, dass ein bestimmtes Enzym für diesen Vorgang verantwortlich ist. Abhängig von der CO2-Konzentration in der Umgebung lösen die sogenannten Carboanhydrasen den Schließmechanismus der Spaltöffnungen aus. Diese Biokatalysatoren spielen unter anderem bei der Photosynthese eine Rolle.

Das Enzym arbeitet jedoch bei vielen Pflanzen nicht sehr effektiv, sodass es in der Landwirtschaft häufig zu unnötigem Wasserverlust kommt. In der Folge wird verstärkt bewässert, was zu Mehrkosten führt. Mit dem Ziel die Effizienz der Schließenzyme zu steigern, haben Schroeder und sein Team nun das Erbgut der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) verändert. Es zeigte sich, dass Pflanzen ohne funktionierende Gene der Carboanhydrase auf einen CO2-Anstieg überhaupt nicht reagieren. Exemplare, denen dagegen überdurchschnittlich viele Carboanhydrase-Gene eingebaut wurden, verloren etwa 44 Prozent weniger Wasser als die unveränderten Pflanzen. Die Photosynthese war auch bei diesen Pflanzen nicht beeinträchtigt, was bedeutet, dass genügend Kohlendioxid aufgenommen wurde.

Vor allem in trockenen Gebieten kann der Anbau entsprechend genetisch veränderter, wassersparender Pflanzenarten große Vorteile bringen. Denn für die Bewässerung von Nutzpflanzen wird heutzutage sehr viel Wasser verbraucht. So benötigt beispielsweise der US-Bundesstaat Kalifornien 79 Prozent des Wassers aus umgeleiteten Flüssen und hochgepumpten Grundwassers alleine für den Anbau von Nutzpflanzen. Die Wissenschaftler merken jedoch an, dass aufgrund der geringeren Wasserabgabe für diese Pflanzen eine größere Überhitzungsgefahr besteht. Dies ist mit Menschen vergleichbar, die trotz Hitze plötzlich weniger schwitzen.