Nitrat aktiviert Ionen-Shuttle

Gräser können auf Wassermangel schneller reagieren als andere Pflanzen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter. Am Beispiel Gerste haben Forscher nun Neues über deren Schließmechanismus gelernt. Das Wissen könnte helfen, die Trockentoleranz anderer Pflanzen zu verbessern.

Bei Trockenheit ist Wassersparen angesagt. Pflanzen schließen dazu ihre Spaltöffnungen auf der Blattunterseite, die Stomata, und senken so die Verdunstung. Gräser können das besonders schnell, z. B. Gerste (Hordeum vulgare), Weizen (Triticum aestivum), Reis (Oryza sativa) oder Mais (Zea mays). Das ist ein Grund, warum sie besser mit Trockenheit umgehen können als andere Pflanzen. Woran das liegt, haben Forscher der Universität Würzburg nun auf molekularbiologischer Ebene untersucht.

Unterschiede bei Stomata

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Im Pflanzenreich gibt es unterschiedliche Stomata. Großaufnahmen zeigen, dass diese bei Gerste anders aufgebaut sind als z. B. bei Arabidopsis-Pflanzen (Arabidopsis thaliana). Bei Letzteren liegen sich zwei gebogene Schließzellen gegenüber, die in der Mitte Platz für eine Pore lassen. Dieser Aufbau ist typisch für zweikeimblättrige Pflanzen. Bei der Gerste, eine Einkeimblättrige, haben die Schließzellen eine andere Form und sind zudem von zwei Hilfszellen flankiert. Schließ- und Hilfszellen bilden dabei eine effiziente funktionale Einheit.

Wie reagiert die Gerste auf Wassermangel?

Bei Trockenheit erfolgt das Signal zum Schließen der Stomata durch das Stresshormon Abszisinsäure (ABA). Prompt öffnen sich entlang der Membran zwischen Schließ- und Hilfszellen Ionenkanäle, durch die Kaliumionen aus der Schließzelle in die Hilfszelle strömen, gefolgt von Wasser. Die zuvor prall gefüllten Schließzellen erschlaffen und verschließen von beiden Seiten die Pore. „Unsere Getreide nutzen die Nebenzellen als dynamisches Reservoir für osmotisch aktive Ionen. Dieser Ionen-Shuttle zwischen Schließ- und Nebenzellen erlaubt es, die Öffnungsweite der Poren besonders schnell und effizient zu regulieren“, erklärt Dietmar Geiger.

Kleiner Unterschied mit großer Wirkung

Er und sein Team fanden heraus, dass ABA allein nicht ausreicht, damit sich die Stomata der Gerste schnell und komplett schließen. Zusätzlich ist Nitrat erforderlich. Grund dafür ist eine Abweichung in der Aminosäurensequenz der Membranproteine (SLAC1), die die Ionenkanäle bilden. Dort, wo sich bei Arabidopsis-Pflanzen ein Isoleucin-Alanin-Paar (IA) befindet, hat die Gerste ein Valin-Valin-Pärchen (VV), das als Nitratsensor dient.

Verhungern oder Verdursten?

Für Rainer Hedrich liegt der Vorteil auf der Hand, dass das Schließen der Stomata nicht nur von ABA abhängig ist, sondern auch von Nitrat: „Durch die Kombination der beiden kann sich die Gerste unter Stressbedingungen zwischen den Extremen ‚Verhungern‘ oder ‚Verdursten‘ besser durchlavieren als andere Pflanzen.“ Denn während ABA vor Wassermangel warnt, signalisieren erhöhte Nitratwerte eine niedrige Photosynthese-Aktivität. Zwar schützen geschlossene Stomata vor dem Austrocknen, doch kappen sie zugleich auch die Zufuhr von Kohlendioxid, das für die Photosynthese benötigt wird.

Ein vorteilhaftes Erbe

Welchen Plan verfolgen nun Hedrich und seine Kollegen? „Wir wollen nun herausfinden, ob sich dieser kleine Unterscheid nutzen lässt, um auch Kartoffeln, Tomaten oder Raps stresstoleranter zu machen.“ Der außergewöhnliche Schließmechanismus der Einkeimblättrigen ist ein Erbe der Moose und dürfte in der Evolution eine große Rolle gespielt haben. Schließlich gehören Gräser nicht nur zu den größten Pflanzenfamilien, man findet sie auch in fast allen Klimazonen und Weltregionen.