Forscher erzeugen Pflanzen mit erhöhter Trockenheitsresistenz, ohne das Wachstum zu beeinträchtigen.

Extreme Dürre ist eine der Auswirkungen des bereits eingetretenen Klimawandels. In diesem Jahr haben der Rückgang der Niederschläge und die ungewöhnlich heißen Temperaturen in Nord- und Osteuropa zu großen Verlusten bei Getreide und Kartoffelkulturen sowie bei anderen Gartenbauarten geführt. Experten warnen seit langem davor, dass es zur Gewährleistung der Ernährungssicherheit notwendig wird, Pflanzensorten zu verwenden, die unter Dürrebedingungen produktiv sind. Nun hat ein Team unter der Leitung der Forscherin am Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG) Ana Caño-Delgado Pflanzen mit erhöhter Trockenheitsresistenz erhalten, indem es die Signalisierung von pflanzlichen Steroidhormonen, den sogenannten Brassinosteroiden, modifiziert hat. Die Studie, die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, ist die erste, die eine Strategie zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen hydraulischen Stress findet, ohne das gesamte Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen.

Verschiedene Rezeptoren und verschiedene Zellen für verschiedene Funktionen

Ana Caño-Delgado untersucht seit mehr als 15 Jahren, wie die Brassinosteroide die Pflanzenentwicklung und das Wachstum in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana regulieren. Es ist bekannt, dass diese Phytohormone an verschiedene Zellmembranrezeptoren binden und eine Signalkaskade in der Zelle verursachen, die Effekte wie Zelldehnung oder -teilung bewirkt. Seit 2016 nutzt ihr Labor dieses Wissen, um Strategien zu finden, die den Pflanzen Trockenheitsresistenz verleihen. Durch die Modifikation der Brassinosteroid-Signalisierung hatten die Forscher bisher Arabidopsispflanzen mit erhöhter Trockenheitsresistenz erreicht, die aber aufgrund der komplexen Wirkung dieser Hormone auf das Pflanzenwachstum kleiner waren als die jeweiligen Kontrollpflanzen.

In der Studie betrachteten die Forscher Trockenheitsresistenz und Wachstum bei Arabidopsis thaliana-Pflanzen mit Mutationen in verschiedenen Messinginosteroid-Rezeptoren. Dank dieser detaillierten Studie haben sie herausgefunden, dass Pflanzen, die den BRL3-Messinginosteroid-Rezeptor im Gefäßgewebe überexprimieren, resistenter gegen Wassermangel sind als Kontrollpflanzen, und im Gegensatz zu den anderen Mutanten keine Defekte in ihrer Entwicklung und ihrem Wachstum aufweisen. „Wir haben festgestellt, dass wir durch die Modifikation des Brassinosteroidsignals nur lokal im Gefäßsystem trockenheitsresistente Pflanzen erhalten können, ohne ihr Wachstum zu beeinträchtigen“, erklärt Caño-Delgado.

Anschließend analysierten CRAG-Forscher in Zusammenarbeit mit Forschern aus Europa, den USA und Japan die Metaboliten in den gentechnisch veränderten Pflanzen und zeigten, dass Arabidopsispflanzen, die den BRL3-Rezeptor überexprimieren, unter normalen Bewässerungsbedingungen mehr osmeoprotektive Metaboliten (Zucker und Prolin) in den Luftteilen und in den Wurzeln produzieren. Wenn diese Pflanzen Trockenheit ausgesetzt waren, sammelten sich diese schützenden Metaboliten schnell in den Wurzeln an und schützten sie vor dem Austrocknen. Daher bereitet die Überexpression von BRL3 die Pflanze darauf vor, auf die Situation der Wasserknappheit zu reagieren, einen Mechanismus, der als Priming bezeichnet wird und vergleichbar ist mit der Wirkung von Impfstoffen im menschlichen Körper, die den Körper auch auf zukünftige Krankheitserreger vorbereiten.

Obwohl diese Entdeckung mit einem Arabidopsis thaliana-Modell gemacht wurde, arbeitet das Forschungsteam um Caño-Delgado bereits an der Anwendung dieser Strategie bei Pflanzen von agronomischem Interesse, insbesondere bei Getreide.

„Dürre ist eines der wichtigsten Probleme in der heutigen Landwirtschaft. Bisher waren die biotechnologischen Anstrengungen, Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit zu produzieren, 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 endlich eine Strategie gefunden haben, die angewendet werden kann, und wir wollen sie weiter erforschen“, schließt Caño-Delgado.

Mehr Informationen:
Norma Fàbregas et al, Überexpression des vaskulären Brassinosteroidrezeptors BRL3 verleiht Dürrebeständigkeit, ohne das Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06861-3

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