Stress durch zu viel Salz

Pflanzen reagieren auf ungünstige Umweltbedingungen mit Stress. Ein hoher Bodensalzgehalt ist ein solcher Stressor, der sich negativ auf die Pflanze auswirkt. Forscher untersuchten die Funktion zweier Proteine bei der Anpassung von Pflanzen auf Salzstress. Sie entdeckten, dass die Proteine eine Rolle beim Wurzelwachstum und der Wurzelarchitektur spielen.

Bodenversalzung ist ein ernst zu nehmendes Problem in der Landwirtschaft, besonders in den ariden Regionen der Welt. Hohe Salzkonzentrationen in den Böden verursachen bei Pflanzen zunehmend „Stress“, sogenannten Salzstress. Dieser hemmt das Wachstum, beeinträchtigt die Fortpflanzung und kann in Pflanzen gar zum Tod führen. Deshalb sind Pflanzenforscher besonders daran interessiert, die Anpassungsmechanismen an Salzstress besser zu verstehen, um salztolerantere Pflanzen zu züchten.

Anpassung an Stress

Pflanzen reagieren sehr schnell auf zu viel Salz: Es werden Signale in der Pflanze ausgesandt, welche die Bildung von Proteinen - die sogenannte Genexpression - beeinflussen und letztlich der Pflanze dabei helfen sollen, sich an die ungünstigen Umweltbedingungen anzupassen. Als Stressreaktion werden vermehrt pflanzliche Hormone (Phytohormone) gebildet. Darunter beispielsweise das Hormon Abscisinsäure (engl. abscisic acid, ABA), das sich hemmend auf pflanzliche Prozesse wie die Samenkeimung auswirkt.

Forscher untersuchten nun zwei Gene (snrk2.4 und snrk2.10), welche spezifische Enzyme, sogenannte Proteinkinasen, kodieren. Proteinkinasen sind an den Signalwegen zur Anpassung an Stress beteiligt.

Die Gene gehören einer Genfamilie an, von denen viele durch das Stresshormon ABA kontrolliert werden. Die untersuchten Gene bzw. Proteine stellen eine Ausnahme dar: Sie wurden ausgewählt, um ihre Rolle bei Stress zu untersuchen, da sie auf Salzstress reagieren, jedoch nicht durch ABA aktiviert werden, wie es bei vielen der anderen Gene dieser Familie der Fall ist. 

Die Funktionen der Proteine

Als Versuchspflanze diente den Forschern Arabidopsis thaliana. Dabei betrachteten sie Arabidopsis-Mutanten, bei denen entweder das Gene snrk2.4 oder snrk2.10 abgeschaltet wurden. Danach untersuchten die Forscher wie die Mutanten jeweils auf Salzstress reagierten.

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Sie entdeckten, dass unter extrem salzigen Bedingungen die Proteine SnRK2.4 und SnRK2.10 bereits innerhalb einer Minute aktiviert wurden, sie jedoch unterschiedliche Funktionen in der Wurzel hatten. Denn nach acht Tagen waren im Experiment Veränderungen in der Morphologie der untersuchten Pflanzen erkennbar. Mutanten ohne snrk2.4-Gen hatten im Vergleich zur Kontrollgruppe (mit Proteinkinase-Genen) kürzere Hauptwurzeln, während bei Mutanten ohne snrk2.10-Gen weniger Seitenwurzeln ausgebildet wurden. Dies zeigt auf, dass die Proteinkinasen SnRK2.4 und SnRK2.10 eine Rolle beim Wurzelwachstum und der Wurzelarchitektur spielen: SnRK2.10 scheint die Entstehung von seitlichen Wurzeln in extrem salzigen Bedingungen zu unterstützen; SnRK2.4 hingegen unterstützt das Wachstum der Hauptwurzeln. Die beobachteten, offensichtlichen Unterschiede im Phänotypen zeigen, dass die beiden Proteinkinasen klar abgegrenzte Funktionen besitzen, obwohl sie sich molekular ähneln.

Im Experiment löste Salzstress also eine Veränderung der Wurzelarchitektur aus. Mutanten bei denen die Forscher beide Gene ausgeschalten, hatten sowohl kürzere Hauptwurzeln als auch weniger Seitenwurzeln. Da Bodensalze die Aufnahme von Wasser über die Wurzeln erschweren, kann die Pflanze durch die Proteinkinasen ihre Wurzelarchitektur an die Umstände anpassen. Sind die Wurzeln länger, können sie in tiefere Bodenschichten vordringen, in denen die Salzkonzentration geringer ist und verkümmern nicht. 

Relokalisation der Proteine

Die Forscher konnten auch aufzeigen, dass die Genexpression durch den Stressor beeinflusst wurde. SnRK2.4 wird unter normalen Bedingungen in der gesamten Wurzel gebildet, im sogenannten Cytosol; SnRK2.10 wird an der Basis einer sich entwickelnden Seitenwurzel exprimiert. Bei Salzstress wurde SnRK2.4 punktuell in Epidermiszellen gebildet; SnRK2.10 zeigte hingegen keine Veränderung auf. Bei Stress wird SnRK2.4 also an die Membran rekrutiert. Dort bindet die Proteinkinase an spezifische Enzyme (Phosphatasen) und beeinflusst deren Aktivität. Dieser Vorgang stellt eine wichtige Komponente der Signalweiterleitung dar und somit der Anpassung an Stress.

Ansatzpunkte für die Pflanzenzüchtung

Die Pflanzenzüchtung ist daran interessiert, salzresistente Nutzpflanzen zu züchten, die trotz hohem Bodensalzgehalt ertragreich sind. Das Wissen über morphologische und chemische Veränderungen bei Pflanzen unter Salzstress hilft der Züchtung, resistentere Sorten zu entwickeln.

Die vorliegende Studie hat einen weiteren Baustein geliefert, um natürliche Anpassungsprozesse in Pflanzen besser zu verstehen. Weitere Forschung ist nötig, um bestehende Lücken zu schließen. So treten auch Wechselwirkungen zwischen Stressfaktoren auf. Beispielsweise tritt Salzstress oft in sehr trockenen Gebieten auf, in denen die Pflanzen unter Trockenstress leiden und einige Proteinkinasen sind auch für die Anpassung an starke Trockenheit entscheidend. Welche vielfältigen Funktionen spezifische Proteinkinasen bei der Stressphysiologie von Pflanzen übernehmen ist daher eine zentrale Fragestellung zukünftiger Forschungsprojekte.