Von Hanteln, die schnell handeln

Die Stomata von Gräsern sind effizienter als die von anderen Pflanzen. Ihre hantelförmigen Schließzellen reagieren schneller und helfen den Pflanzen, bei Trockenheit Wasser zu sparen. In Zeiten sich häufender globaler Dürreperioden ist diese Eigenschaft ganz besonders wichtig. Doch wie haben sich diese besonderen Stomata entwickelt?  

Auf etwa drei Viertel der landwirtschaftlich genutzten Fläche wachsen heutzutage Pflanzen, die zur Familie der Gräser gehören: Mais, Reis, Weizen, Roggen, Hirse und ihre Verwandten liefern uns somit auch den Großteil der vom Menschen verzehrten Kalorien. Schon früh haben Jäger und Sammler auf der ganzen Welt diese Pflanzen auf ihren Speiseplan gesetzt und sie domestiziert. In welcher Erdregion man auch unterwegs ist, fast immer stellen die Früchte von Gräsern ein Hauptnahrungsmittel dar.  

Ein Team aus Wissenschaftlern um Zhong-Hua Chen von der Zhejiang Universität in China stellt in einem Artikel Beweise dafür zusammen, dass Gräser vor allem aufgrund ihrer besonderen Stomata in trockenen Umgebungen einen immensen Vorteil haben. Um das zu verstehen, muss man eine Zeitreise antreten und auf die Entwicklung der Stomata zurückblicken. Zumindest auf den Teil, der bist jetzt bekannt ist.  

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Vor rund 485 Millionen Jahre betrat die erste Wasserpflanze, vermutlich eine Grünalge, das Land. Vor ihr lagen: unendliche Weiten, die nur darauf warteten, besiedelt zu werden. Vor ihr lagen auch: eine ganze Menge Probleme. Vor allem musste sie sich darum kümmern, auch in Zukunft genügend Wasser für ihre Stoffwechselprozesse zur Verfügung zu haben.

Nach und nach entwickelten die neuen Landbewohner eine Reihe von speziellen Anpassungen an ihr trockenes Leben. Auch unsere heutigen Landpflanzen profitieren von diesen Innovationen. Das ausgeklügelte Wurzelsystem nimmt Wasser und Nährstoffe auf, über das Gefäßgewebe werden diese Stoffe in alle Pflanzenteile transportiert. Die wachsartige Schicht (Cuticula) auf den Blättern verhindert die Verdunstung des kostbaren Wassers. Und schließlich die Stomata, die wohl komplexeste Weiterentwicklung.  

Alle Stomata entstanden wohl aus einem Vorläufer  

Stomata optimieren die Aufnahme des lebenswichtigen Kohlendioxids (frühe Pflanzen ohne Spaltöffnungen mussten ihre Kohlenstoffverbindungen noch über die Wurzeln aufnehmen), während sie gleichzeitig den Wasserverlust minimieren. Vermutlich haben sich die Spaltöffnungsapparate nur ein einziges Mal in der Geschichte der Landpflanzen entwickelt.  

Doch existieren heutzutage verschiedene Formen. Die meisten Pflanzen haben zwei recht große, nierenförmige Schließzellen. Gräser hingegen vertrauen auf zwei schmale, hantelförmige Schließzellen, die jeweils von einer Nebenzelle flankiert werden. Vermutlich entstanden diese Gras-Stomata zu Kreidezeit vor etwa 130 Millionen Jahren.  

Stomata funktionieren ganz generell so: An Tagen mit guter Wasserversorgung öffnen Pflanzen ihre Stomata. Wasserdampf und Sauerstoff entweichen, Kohlendioxid strömt ein. Bei Trockenheit jedoch schließen Pflanzen ihre Stomata. Sie verhindert damit, dass Wasser verdunstet. Allerdings können sie dann auch kein Kohlendioxid aufnehmen, die Photosynthese kommt zum Erliegen.  

ABA steuert das Auf und Zu  

Das Verhalten der Schließzellen wird vom Pflanzenhormon ABA (Abscisinsäure) gesteuert. ABA kann Ionenkanäle aktivieren. Dann werden Calcium-Ionen aus den Schließzellen hinausgepumpt. Zum Potenzialausgleich des sich verändernden Calcium-Pegels in den Nebenzellen strömt Wasser nach, so dass der Zellinnendruck (Turgor) der Schließzellen sinkt. Das verändert die Form der Zellen. Infolgedessen schließt sich die Pore. Dieser Mechanismus wird als aktive Stomata-Regulation bezeichnet. Der Prozess ist reversibel. Bei erhöhtem Turgor in den Stomata werden die Öffnungen zwischen den hantelförmigen Zellen wieder geöffnet.  

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Die Nebenzellen nehmen bei diesem Prozess in Gräsern eine wichtige Helferrolle ein. Nebenzellen und Schließzellen sind nur durch eine dünne Zellwand voneinander getrennt (~100 nm). Gelöste Stoffe können daher zwischen diesen beiden Zellen besonders schnell transportiert werden. Vorteilhaft ist auch das kleinere Volumen der Gräser-Schließzellen. Es führt dazu, dass weniger Ionen und weniger Wasser notwendig sind, damit die Zellen ihre Form ändern und die Poren sich öffnen oder schließen.  

Gräser reagieren flinker  

Diese anatomischen Unterschiede sind wohl der Grund, weshalb die Stomata von Gräsern ungleich schneller auf veränderte Umweltbedingungen reagieren als die Stomata anderer Pflanzen. Während die meisten Eudikotyledonen zwanzig bis vierzig Minuten brauchen, bis sich ihre Poren angeregt durch Lichteinfall öffnen, schaffen Gräser das in nur fünf bis zehn Minuten. Außerdem schließen ihre Poren besonders dicht. Gerade wenn der Wassergehalt der Umgebung stark schwankt, schaffen es Gräser dank ihrer speziellen Stomata, mehr Kohlendioxid aufzunehmen und weniger Wasser zu verschwenden.  

Noch ist unklar, ob bereits die ersten Stomata dazu in der Lage waren, ihr Öffnen und Schließen aktiv zu steuern. Es könnte auch sein, dass sich der ABA-Mechanismus erst viel später (und vielleicht sogar mehrfach unabhängig voneinander) entwickelt hat. Da der ABA-Signalweg stark konserviert ist, scheint eine einmalige Entwicklung jedoch wahrscheinlich. Vermutlich fand sie statt, als sich in der Evolution Moose von den Lebermoosen abspalteten.  

Sollten tatsächlich alle heutigen Stomata von einem Vorläufer abstammten, dann würde das bedeuten, dass selbst morphologisch sehr unterschiedliche Stomata auf den gleichen genetischen Netzwerken basieren würde. Das wären gute Nachrichten für Pflanzenforscher und Zuchtbetriebe.  

Außerdem ist bisher ungeklärt, unter welchem Selektionsdruck sich die komplexe, vierzellige Spaltöffnungsstruktur in Gräsern entwickelt hat und welchen Vorteil sie damals vermittelte.  

Ein sorgsamer Umgang mit Wasser wird jedoch in Zukunft immer wichtiger werden. Schätzungen zufolge könnte sich der weltweite Wasserverbrauch bis zum Jahr 2050 verdreifachen. Besonders wasserhungrig ist die Landwirtschaft, die immer mehr Menschen ernähren muss. Etwa 70 Prozent des gesteigerten Wasserbedarfs fließt über Äcker und Plantagen. Und der Großteil davon wird durch Stomata verdunsten.