Studie enthüllt Schlüsselgen, das Pflanzen vor schädlichen Metallen im Boden schützt

Die negativen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Erde betreffen nicht nur die Atmosphäre unseres Planeten, sondern reichen viel tiefer, nämlich bis in die Böden. So kann beispielsweise die übermäßige Ausbringung von Gülle oder Klärschlamm die Schwermetallkonzentrationen auf landwirtschaftlichen Flächen erhöhen, auf denen wichtige Nutzpflanzen angebaut werden. Eines dieser Schwermetalle ist Zink, ein Mikronährstoff, der für die Gesundheit von Pflanzen und Tieren notwendig ist. Im Übermaß kann Zink jedoch für empfindliche Pflanzenarten äußerst schädlich sein.

Einige Pflanzen haben von Natur aus eine höhere Toleranz gegenüber Zink, wodurch sie unter sonst giftigen Bedingungen gedeihen können. Die Biologie dahinter ist jedoch unklar. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler des Salk Institute ein Gen identifiziert, das Pflanzen hilft, mit überschüssigem Zink im Boden umzugehen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht In Naturkommunikationzeigen, dass Pflanzen hohe Zinkwerte vertragen, indem sie es in ihren Wurzelzellwänden einschließen, ein Prozess, der durch ein Gen namens Trichom-Doppelbrechung oder TBR ermöglicht wird. Wissenschaftler und Landwirte können diese Informationen nun nutzen, um Pflanzen zu entwickeln und anzubauen, die widerstandsfähiger gegen Bodenverschmutzung sind. Die Verbesserung der Pflanzenwiderstandsfähigkeit ist ein Hauptziel von Salks Harnessing Plants Initiative.

„Die Struktur der Zellwand ist wie ein Gerüst, das Zink vom Rest der Pflanze fernhalten kann, und wenn das TBR-Gen aktiv ist, können Pflanzen mehr Zink wegspeichern“, erklärt der leitende Autor Wolfgang Busch, Professor, Geschäftsführer der Harnessing Plants Initiative und Inhaber des Hess-Lehrstuhls für Pflanzenwissenschaften an der Salk. „Das Interessante an diesem einfachen Prozess ist, dass er für eine Pflanze, die toxischen Bedingungen ausgesetzt ist, den Unterschied zwischen Leben und Tod ausmachen kann.“

Die Fähigkeit einer Zellwand, Zink zu speichern, hängt weitgehend von einem Prozess namens Pektinmethylesterifizierung ab – einem Prozess, der die Struktur der schwammartigen Pektinmoleküle in den Zellwänden verändert, sodass sie mehr Zink aufnehmen können. Um dies besser zu verstehen, führten die Forscher eine genomweite Assoziationsstudie durch, um Pflanzengene zu identifizieren, die mit einer erhöhten Pektinmethylesterifizierung in Zusammenhang stehen.

„Wir haben festgestellt, dass TBR-Allelvarianten Veränderungen in der Pektinmethylesterisierung beeinflussen und dazu beitragen, die Fähigkeit einer Pflanze zu bestimmen, höhere Zinkwerte zu tolerieren“, sagt Erstautor Kaizhen Zhong, ein ehemaliger Gaststudent in Buschs Labor. „Das zu wissen ist wirklich wichtig, weil wir dieses Gen jetzt möglicherweise in andere Pflanzen einführen oder aktivieren können, um Nutzpflanzen zu schaffen, die widerstandsfähiger gegen Umweltveränderungen sind.“

Diese ersten Experimente wurden an Arabidopsis thaliana durchgeführt, einer kleinen Blütenpflanze, die Wissenschaftler als Modellorganismus für die Erforschung der Pflanzenbiologie verwenden. Der nächste Schritt der Forscher bestand darin, zu prüfen, ob dieses Gen in anderen Pflanzen, darunter wichtigen Nutzpflanzen, ähnlich funktioniert.

Zu diesem Zweck pflanzten die Wissenschaftler Oryza sativa, eine verbreitete Reissorte und Grundnahrungsmittel für Milliarden von Menschen, in Erde mit toxischen Zinkwerten. Sie verglichen gezielt zwei Versionen von Oryza – eine mit einem funktionsfähigen TBR-Gen und eine ohne – und überwachten ihr Wurzelwachstum als Maß für die Zinktoleranz.

Der Reis mit funktionellem TBR gedieh, was bestätigt, dass dieser Überlebensmechanismus bei Zinktoxizität bei mehreren Pflanzenarten erhalten bleibt. Derselbe Test wurde auch mit der Hülsenfrucht Lotus japonicus durchgeführt und führte zum gleichen Ergebnis.

„Das Spannende ist, dass unsere Daten darauf schließen lassen, dass dieses Phänomen bei allen Blütenpflanzen, die den Großteil der Pflanzenarten und Nahrungspflanzen ausmachen, erhalten bleibt“, sagt Busch. „Diese eine Entdeckung könnte dazu genutzt werden, die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber toxischen Zinkkonzentrationen zu erhöhen und so unsere zukünftige Nahrungsmittelversorgung zu sichern.“

Da die Weltbevölkerung bis 2080 voraussichtlich auf 11 Milliarden Menschen anwachsen wird und die Böden immer häufiger mit Zink vergiftet werden, ist es unerlässlich, dass Fortschritte bei der Entwicklung von Nutzpflanzen erzielt werden, die diesen Bedingungen standhalten. Diese Studie ist ein wichtiger Schritt zur Erreichung dieses Ziels.

Weitere Autoren sind Matthieu Pierre Platre, Wenrong He, Ling Zhang, Anna Małolepszy und Min Cao von Salk; Peng Zhang, Xiangjin Wei, Shikai Hu und Shaoqing Tang vom National Rice Research Institute in China; Baohai Li von Salk und der Zhejiang University in China; und Peisong Hu vom National Rice Research Institute in China und der Jiangxi Agricultural University.