Trockenresistenz ganz ohne Wachstums-Einbußen

Die Auswirkungen des Klimawandels waren diesen Sommer auch hierzulande deutlich spürbar. Um unsere Nahrungspflanzen besser an solche Dürreperioden anzupassen, haben Wissenschaftler die Brassinosteroid-Signalwege so verändert, dass die Pflanzen mit Trockenheit besser umgehen können. Erstmals gelang das, ohne das Wachstum der Pflanzen negativ zu beeinflussen.

Die Auswirkungen von extremer Trockenheit und Hitze waren diesen Sommer in weiten Teilen Nord- und Ost-Europas spürbar. Verminderte Regenfälle und ungewöhnlich hohe Temperaturen gelten als Auswirkungen des globalen Klimawandels. Wissenschaftler gehen davon aus, dass derart extreme Wetterbedingungen in den kommenden Jahren und Jahrzehnten gehäuft auftreten werden. Dieses Jahr hat die Trockenheit zu massiven Ernteeinbußen bei Getreide und Kartoffeln (Solanum tuberosum), aber auch bei zahlreichen weiteren Nutzpflanzen geführt. Weltweit gehen heute bereits 40 Prozent der Ernteeinbußen auf das Konto von Dürre – mit steigender Tendenz.

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Erstmals Trockenresistenz ohne Wachstumseinbußen

Einem internationalen Team von Wissenschaftlern – mit Beteiligung von Forschern des Max Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam – ist es nun gelungen, Pflanzen mit einer verbesserten Trockenheitsresistenz auszustatten. Das ist per se nichts Neues. Den Forschern gelang es aber erstmals, die Trockenheitsresistenz vom Wachstum der Pflanze abzukoppeln. Bisher war eine bessere Anpassung an Dürreperioden immer mit einem verminderten Wachstum der Pflanze einhergegangen. Der Schlüssel zum Erfolg führte über Pflanzen-Steroide, die sogenannten Brassinosteroide.

Diese Phytohormone binden an verschiedene Zellmembranrezeptoren und lösen dort eine Signalkaskade in der Zelle aus, die schlussendlich zu einer Zelldehnung oder -teilung führt. Indem die Forscher die Brassinosteroid-Signalwege veränderten, konnten sie bereits Arabidopsispflanzen (Arabidopsis thaliana) eine erhöhte Trockenheitsresistenz verleihen. Aufgrund der komplexen Wirkung dieser Hormone auf das Pflanzenwachstum waren die trockenresistenten Pflanzen jedoch viel kleiner als die jeweiligen Kontrollpflanzen.

Überexprimierter BRL3-Brassinosteroid-Rezeptor löst Problem

In ihrer aktuellen Arbeit haben die Forscher die Resistenz gegen Dürre und das Wachstum von Arabidopsis thaliana mit Mutationen in verschiedenen brassinosteroiden Rezeptoren untersucht. Sie haben herausgefunden, dass Pflanzen, die den BRL3-Brassinosteroid-Rezeptor im Gefäßgewebe überexprimieren, resistenter gegen Wassermangel sind als Kontrollpflanzen. Im Gegensatz zu anderen Mutanten wiesen die BRL3-mutierten Pflanzen jedoch keine Mängel in ihrer Entwicklung und ihrem Wachstum auf. "Wir haben festgestellt, dass wir durch die Modifikation des Brassinosteroidsignals, das nur lokal im Gefäßsystem wirkt, trockenresistente Pflanzen erhalten können, ohne ihr Wachstum zu beeinträchtigen", erklärt Studienleiterin Ana Caño-Delgado.

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Metabolite schützen vor dem Austrocknen

Anschließend analysierten die Forscher die Metaboliten in den gentechnisch veränderten Pflanzen. Es zeigte sich, dass Arabidopsispflanzen mit überexprimiertem BRL3-Rezeptor unter normalen Bewässerungsbedingungen mehr osmeoprotektive Metaboliten (Zucker und Prolin) in den oberirdischen Pflanzenteilen und in den Wurzeln produzieren. Wenn diese Pflanzen Trockenheit ausgesetzt waren, sammelten sich die schützenden Metaboliten schnell in den Wurzeln an und schützten sie vor dem Austrocknen.

Die Überexpression von BRL3 bereitet die Pflanze also darauf vor, auf Wasserknappheit zu reagieren. Dieser Mechanismus ist auch als Priming bekannt und kommt in ähnlicher Form auch vor, wenn ein Mensch geimpft wird. Auch Impfstoffe bereiten den menschlichen Körper darauf vor, auf zukünftige Krankheitserreger zu reagieren.

Ansatz auf Nahrungspflanzen übertragen

Das Forschungsteam um Caño-Delgado arbeitet bereits daran, die in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana gewonnenen Erkenntnisse auf landwirtschaftliche genutzte Pflanzen, insbesondere Getreide, zu übertragen. Caño-Delgado dazu: „Dürre ist eines der wichtigsten Probleme in der heutigen Landwirtschaft. Bisher waren die biotechnologischen Anstrengungen, Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit zu machen, nicht sehr erfolgreich, da als Gegenstück zu einer erhöhten Trockenheitsresistenz immer ein Rückgang des Pflanzenwachstums und der Produktivität zu verzeichnen war. Es scheint, dass wir nun endlich eine vielversprechende Strategie gefunden haben!“