Die Reduzierung eines „Superfetts“ könnte Pflanzen helfen, den Klimawandel zu überleben

Der Klimawandel bedeutet nicht nur wärmeres Wetter. Auch Kälteperioden können ungewöhnliche Tiefststände erreichen und die Schwankungen zwischen warm und kühl werden immer extremer.

Sogar Tropfen von ein paar Grad können für wachsende Pflanzen hart sein. Wenn die Temperaturschwankungen für die Ernte zu groß werden, bedeutet das weniger Nahrung für den Planeten. Deshalb arbeiten Forscher rund um den Globus daran, Pflanzen widerstandsfähiger zu machen.

David Kramer von der Michigan State University interessiert sich für Resilienz in Bezug auf die Photosynthese, da der Prozess, bei dem Pflanzen von der Sonne angetrieben werden, besonders empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert.

„Eine der größten Fragen im Moment ist, wie man Pflanzen am besten toleranter macht. Das müssen wir lösen, weil sich der Wandel so schnell vollzieht“, sagte Kramer, Hannah Distinguished Professor am College of Natural Science der MSU. „Wir glauben, dass die Natur viele Lösungen gefunden hat; wir müssen nur herausfinden, wie sie funktionieren.“

Kramer und seine Kollegen haben nun eine mögliche Lösung in einer einzigen Fettsäure entdeckt, die einen tiefgreifenden Einfluss darauf hat, wie verschiedene Langbohnenpflanzen Kälte vertragen. Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit online am 16. März in der Zeitschrift Pflanze, Zelle & Umwelt.

Dieses Wissen könnte eines Tages dazu beitragen, dass bestimmte Pflanzen an mehr Orten wachsen, sodass sie ein breiteres Spektrum an Bedingungen tolerieren können. Es hat auch das Potenzial, Erzeugern zu helfen, die Pflanzen früher anbauen möchten, damit sie vor den schwersten Belastungen durch Hitze und Schädlinge im Sommer ernten können.

Dass diese Möglichkeiten von einer einzigen Fettsäure ausgehen, war überraschend.

„Wir hätten nie erwartet, dass eine Fettsäure ein wichtiger Faktor sein könnte“, sagte der Erstautor der Studie, Donghee Hoh, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Kramers Labor.

Das liegt daran, dass Pflanzen eine Vielzahl von Fettsäuren verwenden, um unternehmenskritische Prozesse, insbesondere die Photosynthese, zu regulieren.

„Wissenschaftler untersuchen diese Fettsäuren seit Jahrzehnten und wir wissen immer noch nicht, warum die Natur so viele davon herstellt“, sagte Kramer, der im MSU-DOE Plant Research Laboratory arbeitet, das vom US-Energieministerium unterstützt wird.

Die gängige Meinung war, dass es wahrscheinlich das Verhältnis von gesättigten Fettsäuren zu ungesättigten Fettsäuren in den Chloroplasten einer Pflanze war, das bestimmt, wie sich eine Pflanze bei sinkenden Temperaturen verhält.

Daher war das Team überrascht, dass ein einzelnes „Superfett“ eine so wichtige Rolle spielt, sagte Hoh. Es stellte sich heraus, dass Pflanzen mit weniger dieser Fettsäure die Temperatur besser senkten als Pflanzen mit mehr davon.

Um diese Entdeckung zu machen, musste das Team viele verschiedene Messungen an vielen verschiedenen Pflanzen durchführen.

„Eines der coolsten Dinge an unserer Forschung ist der Ansatz selbst, der sich ziemlich von traditionellen Methoden unterscheidet“, sagte Hoh.

Eine dieser altbewährten traditionellen Methoden beinhaltet das sogenannte Gen-Knockout. Hier entfernen Wissenschaftler das Gen einer Pflanze oder bringen es auf andere Weise zum Schweigen, um seine Funktion zu testen oder zu bestimmen.

Obwohl es eine zu starke Vereinfachung einer effektiven Technik ist, hilft es, ihre Grenzen zu veranschaulichen. Es kann wie das Durchschneiden eines einzelnen Kabels in einem Auto sein, um zu sehen, ob es einen Unterschied in der Lenkung und Handhabung des Fahrzeugs macht, sagte Kramer.

Was Hoh, Kramer und ihre Kollegen taten, war anders. Es war eher so, als würde man Teile aus einer Flotte verschiedener Autos nehmen und sie dann auf unterschiedliche Weise kombinieren, um herauszufinden, welche Anordnung sie am besten handhabt.

Dazu züchteten sie zunächst zwei verschiedene Augenbohnensorten, die auch als Schwarzaugenerbsen bekannt sind. Eine Kuherbsensorte wird in Kamerun angebaut, nördlich des Äquators an der Westküste Afrikas. Die andere wird in Kalifornien angebaut, wo sie sich, da sie weiter vom Äquator entfernt ist, an ein Klima angepasst hat, das kühler werden kann.

Einige der Nachkommen waren schlechter darin, die Photosynthese bei niedrigeren Temperaturen aufrechtzuerhalten als ihre Eltern, aber einige waren besser. Durch die Messung der unterschiedlichen photosynthetischen Fähigkeiten zusammen mit der unterschiedlichen Genetik und dem unterschiedlichen Fettsäuregehalt in jeder Pflanze konnte das Team das „Superfett“ lokalisieren.

„Wir haben nicht nur das spezifische Fett gefunden, das die Kälteempfindlichkeit beeinflusst, sondern auch die Gene, die dieses Fett modulieren, was uns hilft, klimaresistenten Pflanzen einen Schritt näher zu kommen“, sagte Hoh.

Um diese Behauptung zu untermauern, wandte sich das Team einer anderen Pflanzenart zu, die als Arabidopsis bekannt ist. Mit diesem neuen Wissen in der Hand züchteten sie Arabidopsis-Pflanzen, um entweder mehr oder weniger Fettsäure als normalerweise zu haben. Auch bei Arabidopsis gilt: Je weniger Fettsäure eine Pflanze hat, desto besser reagiert sie auf Kälte.

Die Durchführung all dieser Experimente und Messungen erforderte modernste Werkzeuge und eine Zusammenarbeit, die ein breites Spektrum an wissenschaftlichen Fähigkeiten abdeckte. Zu Kramers Gruppe gesellte sich das Labor von Christoph Benning, einem MSU Foundation Professor, University Distinguished Professor und Direktor des MSU-DOE Plant Research Lab. Kramers Team verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Untersuchung der Photosynthese – und der Entwicklung neuer dafür erforderlicher Werkzeuge –, während Bennings Team Experten für pflanzliche Fettsäuren sind.

„Diese Arbeit wurde durch Werkzeuge ermöglicht, die die Labore entwickelt haben, und durch das Fachwissen von Leuten wie Donghee, um die Messungen durchzuführen“, sagte Kramer. „Das wäre nicht passiert, wenn all diese Komponenten nicht zusammengefügt worden wären.“

Es bleibt die Frage, warum weniger von dieser speziellen Fettsäure für Pflanzen von Vorteil ist, was einen Punkt unterstreicht, den Kramer zuvor gemacht hat. Die Natur hat einige ziemlich beeindruckende Lösungen entwickelt, jetzt müssen Wissenschaftler sie nur noch herausfinden.