SURFen auf der Welle

Mit Sauerstoffmangel im Boden durch Überflutung können die verschiedenen Pflanzenarten mehr oder weniger gut umgehen. Ihre Anpassung an dieses Phänomen hängt von der Regulation spezieller Genfamilien ab, die vermutlich in vielen Pflanzenarten vorkommen, aber nicht in allen gleich aktiv sind. Forscher entschlüsselten jetzt, warum manche Pflanzen mit viel Wasser besser zurechtkommen als andere.

Der Klimawandel bringt nicht nur längere Dürreperioden, auch Überschwemmungen durch starke Regenfälle werden in Zukunft zunehmen. Allerdings konzentriert sich die Züchtung neuer Nutzpflanzensorten größtenteils auf deren Trockenheitsresistenz, während Ernteeinbußen durch Überschwemmungen bisher eher noch vernachlässigt werden. Daher untersuchten Forscher jetzt die genregulatorischen Mechanismen, die bei Pflanzen als Reaktion auf Sauerstoffmangel bei Überflutung ausgelöst werden.

Energiegewinnung auf Sparflamme

Sobald im Boden der Sauerstoff knapp wird, schalten Pflanzenwurzeln von der aeroben Veratmung von Kohlenhydraten um auf anaerobe Energiegewinnung (Gärung). Das ermöglicht es ihnen, trotz Sauerstoffmangel lebenswichtige Prozesse aufrecht zu erhalten. Jedoch ist die Energieausbeute der Gärung erheblich geringer. Daher sind die Erträge von Nutzpflanzen bei andauerndem Sauerstoffmangel nur noch gering und die Pflanzen sterben schließlich langsam ab. Es sei denn, sie sind auf genetischer Ebene an solche Szenarien angepasst.

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Die Forscher wollten daher wissen, welche Genfamilien bei Sauerstoffknappheit vermehrt aktiviert werden und welche Ähnlichkeiten oder Unterschiede es zwischen den einzelnen Arten gibt. Untersucht wurden die meristematischen Gewebe der Wurzelspitzen. Da Wurzeln häufiger kurze Phasen von Sauerstoffknappheit durchmachen (zum Beispiel durch kurzzeitige Wassersättigung des Bodens nach einem Regen), gingen die Forscher davon aus, dass gewisse Genmechanismen in allen Pflanzenarten vorhanden sind. Als Untersuchungsobjekte wurden Reis (Oryza sativa), der Gestutzte Schneckenklee (Medicago truncatula), die Tomate (Solanum lycopersicum) und ihre wilde Verwandte Solanum pennellii, die in trockenen Habitaten vorkommt, ausgewählt. Von den vier Arten ist Reis die einzige Pflanze, die an regelmäßig auftretende, längere Überschwemmungsphasen angepasst ist.

SURFs als Überschwemmungshelfer

Identifiziert wurden 68 Genfamilien, die nach zwei Stunden Sauerstoffknappheit in den Pflanzen hochreguliert werden. Von diesen sogenannten SURFs (Submergence-Up-Regulated Families) waren in jeder der vier Pflanzenarten zahlreiche Gene bei Überflutung aktiv (in Reis 249 Gene, im Schneckenklee 121, in der Tomate 137 und in Solanum pennellii 92). Das weist darauf hin, dass der genetische „Umgang“ mit Sauerstoffmangel und Überschwemmung in vielen Pflanzenfamilien verankert ist.

Transkriptionsfaktoren und offene Chromatin-Regionen

Zudem konnten die Forscher vier angereicherte Transkriptionsfaktoren in den hochregulierten Genen identifizieren. Besonders im Reis waren HRPE- (Hypoxia-responsive promoter elements) Promotorelemente durch ERFVII-Transkriptionsfaktoren (Group VII Ethylen-Response-Factor) transaktiviert. Diese Transkriptionsfaktoren aktivieren auch in Arabidopsis Gene, die eine wichtige Funktion bei Sauerstoffmangel durch Überflutung haben. Insgesamt wurden mehr als 84 Prozent der aktiven SURF-Gene im Reis und Schneckenklee von mindestens einem der vier Transkriptionsfaktoren angeschaltet, bei den untersuchten Solanum-Arten immerhin noch 68 Prozent.

Zudem erhöhte sich im Bereich hochregulierter Gene die Anzahl der offenen Chromatin-Regionen. In diesen Regionen des Chromatids befinden sich modifizierte Histone, in deren Bereich Transkriptionsfaktoren binden und so die Genexpression aktivieren können. Besonders bei überfluteten Reis konnten die Forscher dieses Phänomen verstärkt beobachten. Sie vermuten, dass es eine Verbindung zwischen den vier identifizierten Transkriptionsfaktoren, den offenen Chromatin-Regionen und der Hochregulation von Genen unter Sauerstoffmangel gibt.

SURFs als „Ankerpunkte“ für die Züchtung

Die Wissenschaftler konnten sieben verwandte SURFs in den vier Pflanzenarten identifizieren, die auf eine gemeinsame evolutionäre Abstammung hinweisen. Die Identifikation der zahlreichen SURF-Genfamilien zeigt die Komplexität der Anpassungen an Sauerstoffmangel in der Natur, bietet aber zugleich auch Ansatzpunkte für gezielte züchterische Beeinflussung. Die neuen Erkenntnisse könnten dabei helfen, die Toleranz von Nutzpflanzen gegenüber Sauerstoffmangel bei Überschwemmungen zu erhöhen.