Überleben wenn die Dürre kommt

In Trockenzeiten opfern Pflanzen Teile ihres Blattwerkes, um sich vor dem Austrocknen zu schützen. Wissenschaftler versuchen hinter das Geheimnis dieser Abwehrmechanismen zu kommen, um Nutzpflanzen dem Klimawandel anzupassen.

Langanhaltende Dürreperioden führen in Entwicklungsländern zu Ernteausfällen und Hungersnöten. Auch in unseren Breitengraden wandelt sich das Klima. Aktuelle Studien belegen bereits, das die Ernteerträge von Nutzpflanzen wie Mais und Weizen durch die steigenden Temperaturen und ändernden Niederschlagsmuster in den nächsten 30 Jahren schrumpfen werden. Das International Water Management Institut schätzt, dass bis zum Jahre 2025 ein Drittel der Weltbevölkerung in wasserarmen Regionen leben wird.

Eine Aminosäure schützt Pflanzen vor dem Austrocknen

Um Kulturpflanzen an den Klimawandel anzupassen, versuchen Pflanzenforscher die Schutzmechanismen zu verstehen, mit denen sich Pflanzen gegen Hitze- und Trockenstress wehren. Ein entscheidender Schutzfaktor, der Pflanzen vor dem Austrocken schützt, ist die Aminosäure Prolin. Prolin wird vor allem dann angereichert, wenn der Wasserhaushalt der Pflanze unter Stress gerät. Besonders hohe Prolinkonzentrationen finden sich beispielsweise in den Wurzeln und Blättern salztoleranter Pflanzenarten und einiger hitzetoleranter Getreidesorten. In der Ökotoxikologie wird die Aminosäure deshalb auch als Biomarker für Trockenstress genutzt. 

In einer aktuellen Studie zeigen Pflanzenforscher, dass die Prolinkonzentration in Pflanzenorganen auch darüber entscheidet, ob sich das Blattwerk nach Trockenstress wieder erholt oder abgeworfen wird. Die Wissenschaftler untersuchten den Prolingehalt von Wurzeln und Blättern bei Wasserentzug in Tabakpflanzen. Dabei entdeckten sie, dass Pflanzen die Aminosäure in bestimmten Blattzonen besonders stark anreichern.

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Prolin hat viele Funktionen

Wie die meisten Pflanzen kurbelt auch der Tabak Nicotiania bei Wassermangel seine Prolinproduktion an. Die Aminosäure schützt die Pflanzenzellen vor schädlichen reaktiven Sauerstoffradikalen, die bei Trockenstress in den Chloroplasten frei werden. Diese entstehen vermehrt, da Pflanzen bei längeren Trockenperioden ihr Wachstum und die Photosynthese drosseln. Während der CO2-Reduktion in den Chloroplasten entsteht normalerweise der Elektronenakzeptor NADP . Sinkt die NADP -Konzentration, so werden Elektronen stattdessen von Wasser aufgefangen. Es entstehen reaktive Sauerstoffradikale, die die Enzyme in der Zelle schädigen. Prolin schützt die Pflanzenzellen, indem es die Umsetzung von NADPH in NADP ankurbelt.

Zudem sichert Prolin das Überleben der Pflanze als sogenannter Osmoregulator. Es wirkt als Puffer gegen Salze, die sich bei Trockenheit und Salzstress in den Vakuolen anreichern. Normalerweise würde die Vakuole dem umliegenden Cytoplasma und den Chloroplasten aufgrund des osmotischen Potentials das Wasser entziehen. Mit dem Trick, Prolin im Cytoplasma anzureichern, gleicht die Pflanzen den Konzentrationsunterschied wieder aus.

Das obere Blattwerk überlebt

In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Prolinkonzentration besonders in den höher gelegenen Blättern der Pflanze unter Trockenstress anstieg. Der Prolingehalt und die Prolinproduktion blieben auch dann erhöht, wenn die Pflanzen schon wieder bewässert wurden. In Blättern mit dem höchsten Prolingehalt wurde zudem die Aktivität des Gens CSP4 hochgeregelt, das eine wichtige Rolle für die Proteinsynthese in den Chloroplasten und der Photosynthese spielt. Die Forscher vermuten daher, dass Prolin den oberen Blattschichten dabei hilft, ihre Photosynthese bei Bewässerung wieder aufzunehmen und sich von dem Trockenstress zu erholen. In der Erholungsphase ist die Aminosäure zudem Lieferant für Kohlenstoff und Stickstoff. 

Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler auch eine mögliche Erklärung für die Tatsache, dass Pflanzen bestimmte Blattschichten in Dürreperioden zuerst abwerfen. Der Blattabwurf ist ein Trick der Pflanze, um den Wasserverlust durch Verdunstung über die Blattoberfläche zu verringern. In unteren Blattschichten wurde das sogenannte SAG-Gen besonders häufig abgelesen. Das Gen reguliert Pflanzenhormone und spielt bei Alterungsprozessen eine wichtige Rolle. Erreicht die Aktivität des SAG-Gens einen bestimmten Schwellenwert, so werden die Blätter abgeworfen und konnten auch durch Bewässerung nicht mehr gerettet werden. Jüngere Blätter, in denen die SAG-Genaktivität geringer ausfiel, konnten sich dagegen wieder regenerierten. 

Lösungen für die Zukunft 

Studien wie diese sollen helfen, das komplexe Zusammenspiel von Pflanzenhormonen und Osmoregulatoren bei Trockenstress besser zu verstehen. In den vergangenen Jahrzehnten wurden Nutzpflanzen hauptsächlich auf Leistung und Ertrag gezüchtet. Dabei ist die biologische Fitness der Pflanzen zum Teil verloren gegangen, um sich gegen Stressfaktoren wie Trockenheit, Hitze, Kälte oder Bodenversalzung zu wehren. Gelänge es, die Prolinkonzentration durch züchterische Ansätze oder Gentechnik zu kontrollieren, ließen sich möglichweise Pflanzen entwickeln, die auch längere Durststrecken überstehen.