Schnelle Hilfe bei Stress

Wie Pflanzen mit abiotischem Stress fertig werden

31.10.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Es bleibt eine große Herausforderung für die Forschung zu verstehen, wie Pflanzen schwierigen Umweltbedingungen, z. B. versalzte Böden, trotzen können. (Bildquelle: © SibylleMohn/Fotolia.com)
Es bleibt eine große Herausforderung für die Forschung zu verstehen, wie Pflanzen schwierigen Umweltbedingungen, z. B. versalzte Böden, trotzen können. (Bildquelle: © SibylleMohn/Fotolia.com)

Pflanzen und Menschen sind sich in einem Punkt sehr nahe. Beide eint eine starke Abneigung gegen Stress. Pflanzen trifft es als standortgebundene Geschöpfe jedoch besonders hart, da sie in Stresssituationen nicht einfach flüchten können. Angesichts des Klimawandels und der steigenden Nachfrage nach landwirtschaftlichen Rohstoffen, gewinnt die Frage, wie Pflanzen mit Stress umgehen, an Bedeutung. Schließlich ließen sich so vermutlich Möglichkeiten finden, die Stressresistenz von Pflanzen zu optimieren. Es überrascht daher nicht, dass sich in den letzten Jahren einiges auf diesem Gebiet getan hat, wie zwei faszinierende Beispiele zeigen.

Trockenheit, Salz, extreme Hitze oder Kälte, zu viel Licht oder zu wenig Nährstoffe – die Liste der nachvollziehbaren Gründe für Pflanzen davonzulaufen ließe sich mit Sicherheit noch fortsetzen. Tatsächlich jedoch sind Pflanzen als sesshafte und teils zähe Geschöpfe bekannt. Zu verdanken haben sie dies u. a. einem ausgeklügelten System, das dafür sorgt, dass fast jede Zelle im Pflanzenkörper über die äußeren Umstände im Bilde ist und zur Not entsprechend reagieren kann. Was von außen wie ein ganzheitlich ausgerichtetes Konzept aussieht, entpuppt sich beim Blick ins Innere jedoch als ein faszinierender Komplex, der aus vielen, teils separaten, teils verknüpften Teilsystemen besteht. In ihrem individuellen Bestreben, verschiedene Pflanzenorgane, Zelltypen, bis hin zu einzelnen Zellorganellen vor Stress zu schützen, machen sie in der Summe die Pflanze als Ganzes widerstandsfähig und stressresistent.

Es besteht Nachholbedarf

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Aufbau einer Pflanzenzelle. Im Innern der Zelle befinden sich viele Organellen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Quelle: © LadyofHats/wikimedia.org; CC0

Vergleicht man das Wissen über die auslösenden Faktoren und negativen Folgen mit der Menge an Informationen über die Stressreaktion und -anpassung, wird deutlich, dass Nachholbedarf besteht. Und das, obwohl das Thema Stressresistenz bei Nutzpflanzen in Zeiten des Klimawandels und der wachsenden Nachfrage nach landwirtschaftlichen Rohstoff immer wichtiger wird. Das Problem ist weder mangelnde Motivation noch fehlendes Problembewusstsein. Es ist die Tatsache, dass der Komplex hinter der Stressreaktion so vielschichtig ist, die Teilsysteme auf unterschiedliche, zum Teil redundante Weise derart verschränkt sind und ineinandergreifen, dass es äußerst schwierig ist, sich Durchblick zu verschaffen.

Allein die Frage, wie Pflanzen mit abiotischem Stress umgehen, ist ein riesiger Themenkomplex für sich. Erfreulicherweise ist es der Pflanzenforschung in den letzten Jahren gelungen, neue Erkenntnisse und Einsichten auf diesem Gebiet zu sammeln. Grund genug, sich einige Ergebnisse aus den letzten Jahren näher anzuschauen. Beginnen wir im Inneren der Pflanzenzelle.

Die Summe der einzelnen Teile

Wer dachte, dass die Zelle die kleinste Einheit sei, die in Stress geraten könnte, vergisst die vielen Zellorganellen und Kompartimente, die im Zellinneren verschiedensten Aufgaben nachgehen: Angefangen mit der Zellwand und der Zellmembran, dem Cytoplasma, den Chloroplasten und Mitochondrien, dem endoplasmatischen Retikulum, den Peroxisomen, bis hin zum Zellkern selbst. Gerät eine Pflanzenzelle unter Stress, z. B. weil die Umgebungstemperatur bedrohlich ansteigt, dann ist jedes Mitglied der Zellmaschinerie betroffen. Jedoch jedes auf andere Weise. Das Problem, auf Stress zu reagieren, verschärft sich noch einmal, wenn man bedenkt, dass nicht jedes betroffene Kompartiment und jede betroffene Organelle in der Lage ist, sich selbst zu helfen. Viele können die Enzyme, die in die Stressreaktion involviert sind, nicht selber herstellen. Mehr noch, sie verfügen noch nicht einmal über die dafür nötigen Informationen. Die sind nämlich kompakt in der DNA im Zellkern verstaut.

Sensoren im Fokus

Es gehört zu den großen Fortschritten der letzten Jahre, dass es der Forschung gelungen ist, besser zu verstehen, wie die Stressreaktion innerhalb der Pflanzenzelle fast simultan orchestriert wird. Ausschlaggebend waren die Identifikation von Stresssensoren und von Signalmolekülen und deren Zuordnung zu den einzelnen Organellen.

Im Ernstfall gilt es, eine Vielzahl fast zeitgleich im Zellkern eintreffender Stresssignale direkt und schnell zu verarbeiten, um entsprechende Gene zu aktivieren und Helferenzyme zu produzieren. Diese müssen wiederum zum Ausgangspunkt des Signals transportiert werden. Zum Beispiel, um die Proteinfaltung im endoplasmatischen Retikulum oder den Stoffwechsel in den Chloroplasten zu stabilisieren.

Wichtige Informanten bei der Stressreaktion

In Zusammenhang mit Letzteren gelang es Forschern kürzlich, zwei spezielle Sensor-Proteine zu identifizieren. Die Eiweiße EX1 und EX2, die in den Thylakoidmembranen im Chloroplasteninneren sitzen und bei den ersten Anzeichen von Lichtstress in Richtung Zellkern wandern, wo sie die Expression entsprechender Gene in Gang setzen. Im Prinzip findet sich dieses Schema in abgewandelter Form auch bei den anderen oben erwähnten Organellen und Zellbestandteilen wieder: Spezielle Proteine, die in der Lage sind, Stressanzeichen wahrzunehmen und dies entweder direkt oder indirekt an den Zellkern kommunizieren, werden unter Stress aktiviert, um im Gegenzeug Helferenzyme zu mobilisieren.

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Pflanzenforscher Prof. Jian-Kang Zhu untersucht, wie Pflanzen auf unwirtliche Umgebungen reagieren - wie sie es schaffen, im Dunkel zu überleben, mit zu viel Salz im Boden oder bei zu heißen oder kalten Temperaturen.

Pflanzenforscher Prof. Jian-Kang Zhu untersucht, wie Pflanzen auf unwirtliche Umgebungen reagieren - wie sie es schaffen, im Dunkel zu überleben, mit zu viel Salz im Boden oder bei zu heißen oder kalten Temperaturen.

Quelle: © Purdue Agriculture/Vincent Walter

Man könnte nun eine Vielzahl weiterer Beispielen aufzählen, bei denen es Forschern gelang, vergleichbare Sensoren zu identifizieren und Signalwege nachzuzeichnen, doch soll aus Platzgründen ein weiterer Meilenstein vorgestellt werden, der kaum weniger faszinierend ist. Im Kern geht es diesmal um den Umgang mit sogenanntem Ionen-Stress. Dabei spielt die Überbrückung großer Distanzen eine wichtige Rolle.

Stress durch Salz

Bei Ionen-Stress handelt es sich um einen Stresstyp, der vorrangig bei erhöhten Salzkonzentrationen im Boden, aber auch bei Trockenheit auftritt. Sowohl Salz- als auch Trockenstress spielen besonders in der Landwirtschaft eine immer größere Rolle. Unter Experten gilt die Versalzung als das zweitgrößte Bodenschutzproblem. Betroffen sind rund 20 % der landwirtschaftlich genutzten Flächen und rund 50 % der künstlich bewässerten, deren Zahl übrigens konstant zunimmt. Kurz und knapp handelt es sich bei der Versalzung, wie der Name schon sagt, um eine starke Anreicherung von leicht löslichen Salzen in Böden.

Salz und Trockenstress können bei Pflanzen zu verschiedenen Symptomen führen, darunter ein vermindertes Wachstum, Nekrosen sowie ein beschleunigtes Absterben der Pflanze. Ursache ist zum einen die reduzierte Verfügbarkeit von Wasser (osmotischer Effekt), zum anderen ein gefährlicher Konzentrationsanstieg durch anorganische Ionen (Ionen-Effekt), der zu Ionen-Stress führt.

S.O.S.–Signale im Pflanzeninneren

Forschern gelang es in den letzten Jahren, die Anpassung von Pflanzen in Bezug auf diesen Stresstyp immer besser zu verstehen, obwohl immer noch nicht klar ist, ob und wie Pflanzen Natriumionen (Na+) überhaupt wahrnehmen. Nichtdestotrotz gelang es, ein zentrales Anpassungs- und Reaktionssystem von Pflanzen zur Bekämpfung von Ionen-Stress offenzulegen, den sogenannten SOS-Signalweg.

Eine pflanzliche Ingenieursleistung

Es beginnt zunächst in der Wurzel, wo ein plötzlicher Calciumüberschuss von sogenannten SOS3-Proteinen registriert wird. Hierbei handelt es sich quasi um eine Art Begleiterscheinung des Konzentrationsanstiegs von Natriumionen, wodurch der Pflanzenzelle signalisiert wird, dass die Zahl von toxischen Natriumionen im Inneren rapide ansteigt. Das alarmierte SOS3-Protein aktiviert umgehend die ihm unterstehende Proteinkinase SOS2, die wiederum einen speziellen Antiporter, SOS1, in der Membran aktiviert.

Seine Aufgabe besteht vereinfacht gesagt darin, wie ein Schaufelrad die überschüssigen Natriumionen wieder aus der Zelle zu befördern. Ohne Zweifel eine meisterhafte Ingenieursleistung. Doch es kommt noch besser. Schließlich stellt sich anschließend die Frage, wohin mit dem ganzen Salz?

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Anhaltende Trockenheit ist auch in der Landwirtschaft eine Problem - nicht überall ist eine künstliche Bewässerung möglich und zudem wird Wasser zunehmend knapper.

Anhaltende Trockenheit ist auch in der Landwirtschaft eine Problem - nicht überall ist eine künstliche Bewässerung möglich und zudem wird Wasser zunehmend knapper.

Quelle: © messager1708/ pixabay/ CC0

Entsalzungsanlage in Pflanzen

Überschüssigen Salze werden aber nicht nur zurück in den Boden exportiert, sondern auch in das Xylem befördert, wo sie gemeinsam mit dem Wasserstrom allein durch die Kraft der Hydraulik vom Brennpunkt des Geschehens abtransportiert werden. Es ist kein Zufall, dass die meisten Natriumionen jedoch nach kurzer Reise erneut auf die soeben passierten Natriumionen-Schleusen, die SOS1-Antiporter, treffen. Diesmal jedoch nicht in der Wurzel, sondern am Übergang vom Xylem in das Parenchymgewebe der Blätter. Hier vermuten Forscher eine Struktur ähnlich dem Casparischen-Streifen. Hierbei handelt es sich um eine Art Zellwandsperre in den Endodermiszellen, die die Passage von Mineralstoffen und Wasser normalerweise blockiert. Dass für die Natriumionen eine Ausnahme gemacht wird, liegt daran, dass sich hinter der Caspary-Streifen-ähnlichen Struktur der Apoplast befindet, in dem die gefährlichen Natriumionen, analog zur Wurzel aktiv über einen Antiporter gepumpt werden. Die in zu großer Menge toxischen Ionen werden so vorübergehend aus dem Verkehr gezogen.

Blätter als Salzspeicher?

Dies ist jedoch nicht unbegrenzt möglich, da diese Räume nur über begrenzte Aufnahmekapazitäten verfügen. Sind diese erreicht, tritt ein weiteres Transporterprotein, HKT1, auf den Plan. Seine Aufgabe ist es, die überschüssigen Salze aus den Blattspeichern in das Phloem zu befördern, um zu vermeiden, dass die Blätter zu „Salzhalden“ werden und Schaden nehmen. Auf diese Weise gelingt es Pflanzen, die Belastung durch Versalzung gleichmäßig zu verteilen und sich sogar schrittweise an eine salzigere Umgebung zu gewöhnen. Und das, obwohl es sich bei ihnen nicht um speziell angepasste Salzpflanzen handelt.

Forschung gegen Stress

Fortschritte wie diese, die die Pflanzenforschung in den letzten Jahren getätigt hat, stimmen optimistisch, dass es bald möglich sein wird, die Stressresistenz von Nutzpflanzen noch gezielter und effizienter zu gestalten als dies bisher bei den Kulturpflanzen gelingt. Aber es bleibt ein äußerst schwieriges Unterfangen. Gelingt es dennoch, diese Herausforderung zu meistern, könnte eine standortangepasste Verbesserung der Stressresistenz nicht nur zu einer Sicherung der Erträge beitragen, sondern auch Vorteile für die Umwelt entfalten. Wie Studien gezeigt haben, benötigen weniger stressanfällige Pflanzen weniger Ressourcen wie Wasser oder Dünger.

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