Stoffwechselweg entdeckt

Nimmt der CO₂-Gehalt in der Luft zu, kommen Pflanzen mit Hitze- und Trockenheit schlechter klar, weil sie die Anzahl ihrer Spaltöffnungen reduzieren. Wie dieser Vorgang geregelt ist, konnten Wissenschaftler nun erstmals zeigen. Sie schufen damit die Basis zur Züchtung von Pflanzen, die besser an sich verändernde Klimaverhältnisse angepasst sind.

Der Anteil an CO₂ in unserer Atmosphäre nimmt stetig zu. Im vergangenen Frühjahr wurde mit 400 ppm (parts per million) der höchste Kohlendioxid-Wert seit Beginn der Aufzeichnungen gemessen. Diese Entwicklung wirkt sich auch auf Pflanzen aus, denn über die Stomata „atmen“ Pflanzen CO₂ ein, das sie mit Hilfe von Sonnenlicht in Zucker umwandeln. Enthält die Luft mehr Kohlendioxid, können es sich die Pflanzen quasi leisten, ihre Poren zu verengen oder weniger Spaltöffnungen zu bilden, ohne einen Energieverlust dafür in Kauf nehmen zu müssen. Und das beeinflusst wiederum die pflanzliche Stresstoleranz gegenüber Hitze und Trockenheit. „Für jedes CO₂-Molekül, das eine Pflanze über die Photosynthese aufnimmt, verliert sie 200 Wassermoleküle über ihre Spaltöffnungen“, erklärt Studienleiter Julian Schröder.

Geringerer Wasserverlust, aber schlechte Klimatisierung

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Schröder und sein Forschungsteam haben untersucht, wie Pflanzen die Anzahl ihrer Spaltöffnungen, den Stomata, reduzieren, wenn die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zunimmt. „Weil mehr CO₂ in der Luft die Dichte der Spaltöffnungen in Blättern reduziert, scheint das zunächst vorteilhaft für die Pflanzen zu sein, denn sie verlieren so weniger Wasser. Besitzt eine Pflanze jedoch weniger Spaltöffnungen, kann sie ihre Blätter während einer Hitzeperiode schlechter durch das Verdunsten von Wasser abkühlen. Das führt zu einem vermehrten Hitzestress in der Pflanze, der sich letztendlich auf den Ernteertrag auswirkt“, erklärt Schröder das Dilemma. Nimmt der Anteil an CO₂ in der Atmosphäre also weiter zu, könnte das im Hinblick auf die wachsende Nachfrage an Lebensmitteln fatale Folgen haben.

In Zukunft weniger Wasser und mehr Hitze

Die Wissenschaftler um Schröder konnten an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana nun erstmals zeigen, wie eine Pflanze die Anzahl ihrer Stomata auf molekularer Ebene steuert. Dieses Wissen könnte bei landwirtschaftlichen Herausforderungen in Zukunft von Nutzen sein, wenn beispielsweise Pflanzen immer häufiger mit wenig Wasser und/oder hohen Temperaturen auskommen müssen.

Stoffwechselweg über Mutationsstudien aufgeklärt

Welche Proteine an der Regulation der Stomataanzahl beteiligt sind, fanden die Forscher über Mutationsstudien heraus. Denn bei kürzlich entdeckten Arabidopsis-Mutanten sorgen Mutationen in den Genen, die für Carboanhydrasen (CA1 und CA4) codieren, dafür, dass die Pflanze bei erhöhtem CO₂-Gehalt in ihrer Umgebung nicht mehr mit einer Reduktion ihrer Stomata reagieren, sondern diese sogar vermehrt bilden. Die Enzyme spielen auch eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffixierung. Diese Mutanten haben die Wissenschaftler genauer untersucht und dabei vier Gene aus drei verschiedenen Genfamilien identifiziert, die die Stomatadichte bei Arabidopsis regulieren.

Sie konnten außerdem zeigen, dass das Peptidhormon EPF2 (Epidermal Patterning Factor-2) dabei eine wichtige Rolle spielt. „Das EPF2 Peptid ist wie ein Morphogen, das die Stammzellen in der Epidermis wachsender Blätter verändert und verhindert, dass die Pflanze bei erhöhtem CO2-Vorkommen Stomata ausbildet“, erklärt Cawas Engineer, ein beteiligter Wissenschaftler. Über diesen Regulationsweg könnten beispielsweise genetisch veränderte Pflanzen erzeugt werden, die auch bei steigendem CO2-Gehalt ihre Spaltöffnungen nicht reduzieren, ohne dass deren Fotosyntheseleistung beeinträchtigt wäre. Das Resultat wären trockenresistente Pflanzen mit gleichbleibendem Ernteertrag.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass ein bisher unbekanntes Enzym, das die Forscher CRSP (CO₂ Response Secreted Protease) nannten, nötig ist, um das EPF2-Peptid zu aktivieren. „CRSP spielt eine wichtige Rolle für die Pflanze, wenn es darum geht, die Anzahl der Spaltöffnungen an die CO₂-Konzentration anzupassen“, so Engineer.

Dieser kleine Stoffwechselweg – eine Verbindung aus Wahrnehmung und Reaktion einer Pflanze - ist für die Wissenschaftler besonders interessant. Denn auf seiner Basis lassen sich möglicherweise Pflanzen züchten, die sich noch besser an zunehmende CO₂-Vorkommen in der Atmosphäre anpassen und mit weniger Wasser auskommen können. Derartige Pflanzen könnten die Versorgung der Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln auch bei fortschreitendem Klimawandel sichern.