Pflanzen – sie sind genau wie wir, mit einzigartigen Techniken zur Stressbewältigung. Um eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Erde vor extremen Klimaschwankungen zu bewahren, entwickeln Wissenschaftler pflanzeneigene Strategien zur Stressbewältigung.
Ein Team unter der Leitung von UC Riverside hat herausgefunden, was mit den Wurzeln von Reispflanzen passiert, wenn sie mit zwei Arten von Stressszenarien konfrontiert werden: zu viel Wasser oder zu wenig. Diese Beobachtungen bilden die Grundlage für neue Schutzstrategien.
„Diese eine Pflanze ist die Hauptkalorienquelle für mehr als 45 Prozent der Menschheit, aber ihre Ernten sind in Gefahr“, sagte Julia Bailey-Serres, UCR-Genetikerin und Studienleiterin. „In den USA konkurrieren jedes Jahr Überschwemmungen mit Dürren in Bezug auf die Schäden an den Ernten der Landwirte.“
Während Reis in überschwemmten Böden gedeihen kann, liefern die Pflanzen weniger Nahrung oder sterben sogar ab, wenn das Wasser zu lange zu tief ist. Diese Arbeit simulierte lang anhaltende Überschwemmungen von fünf Tagen oder länger, bei denen die Pflanzen vollständig untergetaucht waren. Es simulierte auch Dürrebedingungen.
Insbesondere untersuchten die Forscher die Reaktion der Wurzeln auf beide Arten von Bedingungen, da Wurzeln die unsichtbaren Ersthelfer bei durch Flut und Dürre verursachtem Stress sind.
Ihre Arbeit wird in einem neuen Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Entwicklungszelle.
Eine wichtige Erkenntnis betrifft eine korkähnliche Substanz, Suberin, die von Reiswurzeln als Reaktion auf Stress produziert wird. Es schützt sowohl vor Überschwemmungen als auch vor Dürre.
„Suberin ist ein Lipidmolekül, das hilft, dass Wasser, das von den Wurzeln aufgenommen wird, zu den Trieben gelangt, und hilft Sauerstoff aus den Trieben, die Wurzeln zu erreichen“, sagte Bailey-Serres. „Wenn wir die Fähigkeit der Pflanze stärken, Suberin zu bilden, hat Reis bessere Überlebenschancen bei jedem Wetter.“
Die Forscher konnten ein Netzwerk von Genen identifizieren, die die Suberinproduktion steuern, und können diese Informationen für die Genbearbeitung oder selektive Züchtung nutzen.
„Das Verständnis von Suberin ist besonders aufregend, weil es nicht durch Bodenmikroben abgebaut werden kann, sodass Kohlenstoff, den die Pflanze in die Suberinmoleküle in den Wurzeln einbringt, im Boden eingeschlossen wird“, sagte Alex Borowsky, Computerbiologe am UCR und Co-Autor der Studie. „Dies bedeutet, dass die Erhöhung von Suberin zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen könnte, indem Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt und gespeichert wird.“
Die Forscher identifizierten auch die Gene, die einige der anderen Stressverhaltensweisen von Reis steuern.
„Eine unserer interessanten Erkenntnisse ist, dass, wenn Reispflanzen in Wasser getaucht werden, der Wachstumszyklus der Wurzelzellen pausiert und sich dann wieder einschaltet, kurz nachdem die Triebe Zugang zu Luft haben“, sagte Bailey-Serres.
In Zukunft plant das Forschungsteam zu testen, wie die Modifikation dieser Stressreaktionen die Pflanze widerstandsfähiger gegen nasse und trockene Bedingungen machen kann.
„Jetzt, da wir diese Reaktionen verstehen, haben wir einen Fahrplan, um gezielte Änderungen am Reisgenom vorzunehmen, die zu einer stresstoleranteren Pflanze führen werden“, sagte Bailey-Serres.
Obwohl sowohl starke Regenfälle als auch Dürren als Bedrohung zunehmen, hofft Bailey-Serres, dass neue Gentechnologie seine Widerstandsfähigkeit erhöhen kann, bevor es zu spät ist.
„Mit Genome Editing ist die Tatsache, dass wir eine winzige, aber gezielte Veränderung vornehmen und eine Pflanze vor Krankheiten schützen können, erstaunlich. Obwohl unsere Ernten bedroht sind, geben uns neue Technologien Anlass zur Hoffnung“, sagte Bailey-Serres.
Mauricio A. Reynoso et al, Genregulatorische Netzwerke prägen die Entwicklungsplastizität von Wurzelzelltypen unter Wasserextremen in Reis, Entwicklungszelle (2022). DOI: 10.1016/j.devcel.2022.04.013