Pflanzen können die Intensität von Salzstress messen

Ungünstige Umweltbedingungen bedeuten für Pflanzen erheblichen Stress. Ein hoher Salzgehalt (Natriumchlorid, NaCl) im Boden ist ein solcher Stressor, der sich negativ auf Pflanzen auswirkt. Versalzung ist ein ernsthaftes Problem in der Landwirtschaft, insbesondere in trockenen Regionen der Welt. Biologen der Universität Münster haben nun erstmals entdeckt, dass Salzstress in einer speziellen Gruppe von Zellen in Pflanzenwurzeln Kalziumsignale auslöst und diese Signale eine „Natrium-Sensing-Nische“ bilden. Außerdem identifizierten die Forscher ein kalziumbindendes Protein (CBL8), das speziell unter schweren Salzstressbedingungen zur Salztoleranz beiträgt. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt in der Fachzeitschrift veröffentlicht Entwicklungszelle.

Salzstress entsteht durch die Akkumulation zu hoher Salzkonzentrationen im Boden. Dies hemmt das Pflanzenwachstum und kann letztendlich zum Absterben der Pflanze führen. Aus diesem Grund sind Pflanzenforscher daran interessiert, den Salzstress besser zu verstehen, um salztolerante Pflanzen zu züchten. Prof. Jörg Kudla und sein Team vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der WWU gingen der Frage nach, wie Pflanzen die Intensität von Salzstress messen und wie sie darauf reagieren. Als Modellpflanze für ihre Tests diente die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die zur größten Gruppe der Blütenpflanzen – den Kreuzblütlern oder Brassicaceae – gehört. Dazu gehören viele Nahrungs- und Futterpflanzen wie Kohl, Senf und Radieschen.

„Zunächst“, sagt Jörg Kudla, „haben wir Arabidopsis-Wurzeln daraufhin untersucht, ob sie irgendwelche Zellen haben, die besonders auf Salzstress reagieren, oder ob die gesamte Wurzel eine einheitliche Reaktion zeigt die Intensität des Salzstresses spiegelte sich quantitativ in der Intensität des Calciumsignals wider.“

Das Ergebnis überraschte die Experten: Obwohl das gesamte Wurzelsystem der Pflanze Stress ausgesetzt war, reagierte nur eine bestimmte Gruppe von Zellen – und nur diese Gruppe bildete ein sogenanntes oligozelluläres Calciumsignal. Diese Zellgruppe befindet sich in der Differenzierungszone der Pflanzenwurzel und besteht aus nur wenigen hundert Zellen. Nur zum Vergleich: Eine Wurzel hat viele tausend Zellen. Forscher nennen diesen Bereich die „Natriumsensorische Nische“.

„Diese Gruppe von Zellen“, erklärt Kudla, „ist nicht sichtbar, und wir können sie nur mittels hochauflösender Biosensorik funktionell von anderen Zellen unterscheiden. Es war eine Zufallsentdeckung, die äußerst aufschlussreich war – und bedeutsam.“ Denn in diesen funktionell spezialisierten Zellen wird das primäre Calciumsignal gebildet. Dabei stellten die Pflanzenbiologen fest, dass das Kalziumsignal umso stärker ist, je höher der Salzstress ist.

Mit anderen Worten, die Pflanze ist in der Lage, dem Organismus Informationen über die Intensität des angetroffenen Stresses zu geben. Daraus ergab sich die Frage, wie Pflanzenzellen zwischen schwachen und starken Kalziumsignalen unterscheiden können, um entsprechend reagieren zu können. Im Allgemeinen werden Calciumsignale von verschiedenen Calcium-bindenden Proteinen dekodiert, die als Calciumsensoren wirken.

CBL-Proteine ​​wichtig für die Salztoleranz

In Pflanzen übernehmen diese wichtige Aufgabe häufig die sogenannten CBL (Calcineurin B-like) Proteine. Seit einiger Zeit ist bekannt, dass das CBL4-Protein wichtig für die Salztoleranz ist und dass entsprechende Mutanten ohne funktionierendes CBL4-Protein extrem empfindlich auf Salzstress reagieren. Bei ihrer Arbeit entdeckten die Forscher, dass auch Mutanten eines weiteren CBL-Proteins – CBL8 – eine reduzierte Salztoleranz aufweisen. Allerdings zeigten cbl8-Mutanten – im Gegensatz zu cbl4-Mutanten – nur unter starkem Salzstress eine Wachstumshemmung. Nach biochemischen Analysen fanden die Forscher heraus, dass eine hohe Kalziumkonzentration das CBL8-Protein aktiviert – während das CBL4-Protein auch bei niedrigeren Kalziumkonzentrationen aktiv ist. „Nur bei hohem Salzstress hilft CBL8 dabei, Salz aus der Pflanze zu pumpen“, erklärt Dr. Leonie Steinhorst, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Das ist eine Art Schaltmechanismus, der über die Kalziumkonzentration gesteuert wird.“

Ein interessanter Aspekt, den die Biologen in diesem Zusammenhang entdeckten, ist die Evolution der CBL-Proteine. Die meisten Getreidearten – wie Mais, Weizen und Gerste – sind sogenannte Monokotyledonen. Sie besitzen nur das CBL4-Protein – ihnen fehlt also dieser Schaltmechanismus zur Anpassung an starken Salzstress. Es gibt auch Zweikeimblättrige, wie Tabak und Tomaten, und hier konnte gezeigt werden, dass es früh im Evolutionsprozess zu einer Genverdopplung kam und sich daraus CBL8 entwickelt hat. Dadurch hatten diese Pflanzen eine bessere Möglichkeit, auf Salzstress zu reagieren.

„Ein interessanter Ansatz“, sagt Jörg Kudla, „wäre also, das CBL8-Protein in Einkeimblättrige einzubringen, damit auch sie sich besser an den Salzstress anpassen können.“ Das dürfte für Pflanzenzüchter in Zukunft eine immer wichtigere Maßnahme sein Trockenheit und Salzstress besser bewältigen.“

Hochauflösende Mikroskopie mit molekularer Calcium-Biosensorik in Pflanzen ermöglichte es, die bereits beschriebenen oligozellulären Calcium-Signale zu entdecken. Diese Biosensoren visualisieren Konzentrationsänderungen von bioaktiven Substanzen wie Kalzium in Zellen und Geweben. Diese Studien mit In-vivo-Biosensortechnologie wurden mit anderen genetischen, zellbiologischen und biochemischen Methoden kombiniert, um die zugrunde liegenden Mechanismen im Detail aufzuklären.

Zur Verfügung gestellt von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster