Lieber fit als groß

Forscher entdecken einen Zusammenhang zwischen der Stickstoffverfügbarkeit und der Größe des pflanzlichen Genoms.

Die Genomgröße einer Pflanze gilt als Indikator, der Auskunft über verschiedene Eigenschaften geben kann. Forscher haben herausgefunden, dass sie beispielsweise mit der Reaktion der Pflanze auf bestimmte Umwelteinflüsse im Zusammenhang steht. Umgekehrt ist bis heute nicht näher bekannt, ob und inwieweit Umweltfaktoren Einfluss auf die Genomgröße haben. In einer neuen Studie befassen sich Forscher mit der Frage, ob Stickstoffmangel zu einer Veränderung der Genomgröße führen kann. Die Grundgerüste der Purine und Pyromidine und somit das der vier Nukleinbasen, Adenin, Guanin sowie Cytosin, Thymin bzw. Uracil besteht aus vier bzw. zwei Stickstoffatomen. Ohne das Element Stickstoff, ist Leben in einer uns bekannten Form nicht möglich.

Karst und Stickstoff

Karst ist eine Geländeform, die meist aus Karbonatgestein besteht. Er unterscheidet sich von anderen Geländeformen besonders durch seine Wasserführung. Während Wasser normalerweise im Boden versickert und sich im Untergrund sammelt, fließt es bei Karstformationen schnell durch unterirdische Wege (entstanden durch Lösen des Karbonats in Wasser und Ausfällen an anderer Stelle) von der Oberfläche ab. Dadurch sind Karstgebiete sehr trocken. Zudem sorgt das verwitternde Kalziumkarbonat (CaCO₃) in den oftmals sehr flachgründigen Böden für einen hohen pH-Wert, der unter anderem Stickstoff chemisch fest bindet und so für Pflanzen nur schwer verfügbar macht.

Um die Auswirkungen von Stickstoffmangel auf Pflanzen und ihre Genomgröße zu untersuchen, wurden Blätter von 99 verschiedenen Arten der Gattung Primulina (gehört wie das bekannte Usambaraveilchen zur Familie der Gesneriaceae), gesammelt. Alle untersuchten Arten wachsen in Karstgebieten im südlichen China. Untersucht wurden neben der Genomgröße die Stickstoff- und Phosphorgehalte der Blätter.

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Es zeigte sich, dass die Stickstoffgehalte der Pflanzen eng mit den jeweiligen Genomgrößen zusammenhingen. Pflanzen mit einem geringen Stickstoffgehalt in den Blättern hatten in der Regel auch ein kleineres Genom als Pflanzen mit höherem Stickstoffgehalt. Bei den Phosphorgehalten konnten die Forscher keinen Zusammenhang herstellen.

Die richtige Investition

Pflanzen benötigen Stickstoff: Nicht nur zum Wachsen, sondern auch für die Herstellung verschiedener sekundärer Stoffwechselprodukte, die zum Beispiel der Verteidigung oder der Stressbewältigung dienen und für die Synthese sowie als Bestandteil von DNA und RNA. Herrscht ein Mangel an Stickstoff vor, muss sich die Pflanze entscheiden, wofür sie den verfügbaren Stickstoff einsetzen will.

In der Tat scheinen Pflanzen, die auf Standorten mit wenig Stickstoff wachsen, ihren Stickstoffmetabolismus so zu optimieren, dass den in diesem Moment benötigten Stoffwechselwegen und -produkten der Vorrang gegeben wird. So wurde in anderen Studien bei Pflanzen unter Stickstoffmangel eine deutliche Abnahme der Aminosäure Glutamat gefunden. Auch diese erfüllt eine wichtige Rolle bei der DNA-Synthese. Gleichzeitig stieg der Anteil löslicher Proteine in den Blättern sowie der von freien Aminosäuren. Die Forscher vermuten, dass es zu einer Umverteilung des verfügbaren Stickstoffs zum Nachteil der DNA-Synthese und zum Vorteil anderer Stoffe kommt, sobald Stickstoff knapp wird.

Da viele der untersuchten Arten der Gattung Primulina eine kleine Genomgröße aufweisen und in einem stickstoff-limitierten Habitat leben, wo zudem Wärme und Trockenheit an der Tagesordnung sind, gehen die Forscher davon aus, dass auch hier eine Umverteilung des verfügbaren Stickstoffs zugunsten der aktuell benötigten Stoffwechselprodukte stattfindet. So wird sichergestellt, dass die Pflanzen über genug Ressourcen verfügen, um mit den verschiedenen Stressoren umgehen zu können. Die DNA-Synthese ist in diesem Fall zweitrangig. Die Forscher betonen allerdings, dass noch weitere Untersuchungen nötig sind. In einem weiteren Schritt müsste daher untersucht werden, welche Stoffwechselprodukte bei Primulina vorrangig unter Stickstoffmangel hergestellt werden, um zu klären, wie genau und zu welchem Zweck der Stickstoff umverteilt wird. Eine Aussage darüber würde Aufschluss über die Stickstoffversorgung von Pflanzen an einem Standort geben. Dieses Wissen wiederum kann genutzt werden, um die Stickstoffversorgung und die Verwendung dieses Makro-Nährstoffs bei Nutzpflanze zu optimieren.