„Extreme“-Pflanzen wachsen unter Stress schneller

Bei zu trockener, salziger oder zu kalter Witterung versuchen die meisten Pflanzen, Ressourcen zu sparen. Sie senden weniger Blätter und Wurzeln aus und schließen ihre Poren, um Wasser zu halten. Wenn sich die Umstände nicht verbessern, sterben sie schließlich.

Aber einige Pflanzen, die als Extremophyten bekannt sind, haben sich entwickelt, um mit rauen Umgebungen fertig zu werden. Schrenkiella parvula, ein dürres, sich verzweigendes Mitglied der Senffamilie, überlebt nicht nur unter Bedingungen, die die meisten Pflanzen töten würden – es gedeiht darin. Er wächst an den Ufern des Tuz-Sees in der Türkei, wo die Salzkonzentration im Wasser sechsmal höher sein kann als im Ozean. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Natur Pflanzenfanden Forscher der Stanford University heraus, dass Schrenkiella parvula unter diesen Stressbedingungen tatsächlich schneller wächst.

„Die meisten Pflanzen produzieren ein Stresshormon, das wie ein Stoppsignal für das Wachstum wirkt“, sagte José Dinneny, außerordentlicher Professor für Biologie an der Stanford University und Seniorautor der Studie. „Aber bei diesem Extremophyten gibt es grünes Licht. Die Pflanze beschleunigt ihr Wachstum als Reaktion auf dieses Stresshormon.“

Dinneny und seine Kollegen untersuchen Schrenkiella parvula, um besser zu verstehen, wie manche Pflanzen mit schwierigen Bedingungen zurechtkommen. Ihre Ergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, Pflanzen zu entwickeln, die in der Lage sind, auf Böden mit geringerer Qualität zu wachsen und sich an die Belastungen des Klimawandels anzupassen.

„Angesichts des Klimawandels können wir nicht erwarten, dass die Umwelt gleich bleibt“, sagte Ying Sun, eine Postdoktorandin am Salk Institute, die in Stanford promoviert hat und eine Hauptautorin des Papiers ist. „Unsere Pflanzen müssen sich an diese sich schnell ändernden Bedingungen anpassen. Wenn wir die Mechanismen verstehen, mit denen Pflanzen Stress tolerieren, können wir ihnen helfen, dies besser und schneller zu tun.“

Eine unerwartete Antwort

Schrenkiella parvula ist ein Mitglied der Brassicaceae-Familie, die Kohl, Brokkoli, Rüben und andere wichtige Nahrungspflanzen enthält. In Gebieten, in denen erwartet wird, dass der Klimawandel die Dauer und Intensität von Dürren erhöht, wäre es wertvoll, wenn diese Pflanzen in der Lage wären, diese Trockenperioden zu überstehen oder sogar zu gedeihen.

Wenn Pflanzen trockenen, salzigen oder kalten Bedingungen ausgesetzt sind – die alle wasserbedingten Stress erzeugen – produzieren sie ein Hormon namens Abscisinsäure oder ABA. Dieses Hormon aktiviert bestimmte Gene und sagt der Pflanze im Wesentlichen, wie sie reagieren soll. Die Forscher untersuchten, wie mehrere Pflanzen der Familie Brassicaceae, einschließlich Schrenkiella parvula, auf ABA reagierten. Während sich das Wachstum der anderen Pflanzen verlangsamte oder aufhörte, wuchsen die Wurzeln von Schrenkiella parvula deutlich schneller.

Schrenkiella parvula ist eng mit den anderen Pflanzen in der Studie verwandt und hat ein sehr ähnlich großes Genom, aber ABA aktiviert verschiedene Abschnitte seines genetischen Codes, um ein völlig anderes Verhalten zu erzeugen.

„Diese Neuverdrahtung dieses Netzwerks erklärt zumindest teilweise, warum wir diese unterschiedlichen Wachstumsreaktionen bei stresstoleranten Arten bekommen“, sagte Dinneny.

Zukunftskulturen entwickeln

Das Verständnis dieser Stressreaktion – und wie man sie bei anderen Arten manipuliert – könnte mehr als nur Nahrungspflanzen helfen, sagte Dinneny. Schrenkiella parvula ist auch mit mehreren Ölsaatenarten verwandt, die das Potenzial haben, als nachhaltige Quellen für Kerosin oder andere Biokraftstoffe entwickelt und verwendet zu werden. Wenn diese Pflanzen an rauere Umweltbedingungen angepasst werden können, stünde mehr Land für ihren Anbau zur Verfügung.

„Sie möchten Bioenergiepflanzen auf Land anbauen, das nicht für den Anbau von Nahrungsmitteln geeignet ist – sagen wir, ein landwirtschaftliches Feld, das den Boden degradiert oder aufgrund unsachgemäßer Bewässerung Salz angesammelt hat“, sagte Dinneny. „Diese Flächen sind keine erstklassigen landwirtschaftlichen Immobilien, sondern Flächen, die sonst aufgegeben würden.“

Dinneny und seine Kollegen untersuchen weiterhin das Reaktionsnetzwerk, das Pflanzen helfen könnte, unter extremen Bedingungen zu überleben. Jetzt, da sie eine Vorstellung davon haben, wie Schrenkiella parvula sein Wachstum trotz begrenztem Wasser und hohem Salzgehalt aufrechterhält, werden sie versuchen, verwandte Pflanzen so zu konstruieren, dass sie dasselbe tun können, indem sie optimieren, welche Gene durch ABA aktiviert werden.

„Wir versuchen zu verstehen, was die geheime Sauce für diese Pflanzenarten ist – was es ihnen ermöglicht, in diesen einzigartigen Umgebungen zu wachsen, und wie wir dieses Wissen nutzen können, um bestimmte Merkmale in unseren Pflanzen zu entwickeln“, sagte Dinneny.