Polaritätsproteine ​​formen effiziente „atmende“ Poren in Gräsern

Gräser haben „Atmungsporen“ (Stomata genannt), die sich öffnen und schließen, um einerseits die Aufnahme von Kohlendioxid für die Photosynthese und andererseits den Wasserverlust durch Transpiration zu regulieren. Im Gegensatz zu vielen anderen Pflanzen bilden Stomata in Gräsern seitliche „Helferzellen“. Dank dieser Zellen können sich die Spaltöffnungen von Gräsern schneller öffnen und schließen, was den Gasaustausch zwischen Pflanze und Atmosphäre optimiert und somit Wasser spart.

Für die aktuelle Studie untersuchten Prof. Dr. Michael Raissig, Dr. Heike Lindner und Co-Autorin Roxane Spiegelhalder vom Institut für Pflanzenwissenschaften (IPS) der Universität Bern die Entwicklung von Helferzellen im Gras Brachypodium distachyon. Sie entdeckten zwei Proteine, die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Zelle ansammeln und wie ein „Kompass“ für die korrekte Entwicklung von Helferzellen in Gräsern sorgen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht eLife.

Ein Zellkompass für die Entwicklung von Helferzellen

Helferzellen werden durch ungleiche, asymmetrische Zellteilung gebildet. Dabei teilt sich eine Zelle in eine kleine Zelle, die Helferzelle, und eine größere Nachbarzelle. Damit diese Teilung im richtigen Verhältnis und in der richtigen Ausrichtung erfolgt, benötigt die Zelle Orientierungspunkte. Diese Orientierungspunkte dienen als Orientierungspunkte und sind durch sogenannte Polaritätsproteine ​​gegeben, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Zelle ansammeln und so beispielsweise links und rechts oder oben und unten definieren können.

In dieser Studie entdeckten die Berner Forscher zwei Polaritätsproteine, die sich auf zwei gegenüberliegenden Seiten ansammeln. „Die beiden Proteine ​​fungieren gewissermaßen als zellulärer Kompass und steuern die Ausrichtung der Zellteilung und die Entwicklung von Helferzellen. Wir haben festgestellt, dass sich Helferzellen nicht richtig bilden, wenn eines dieser Proteine ​​fehlt wassersparenden Gasaustausch des Grases“, erklärt Projektleiter Michael Raissig.

Pflanzenatmungsporen und Klimawandel

„Mich fasziniert immer wieder, dass das Fehlen eines Zellkompasses bei einem einzelnen Zelltyp die Gasaustauschdynamik und Effizienz der gesamten Anlage beeinflussen kann“, sagt Michael Raissig. Dies sei besonders relevant angesichts des Klimawandels, der längere Dürreperioden und übermäßige Hitze verursache.

Gräser spielen eine zentrale Rolle in der Ernährungssicherheit der Menschen; Getreide wie Mais, Reis und Weizen sind alle Gräser und liefern zusammen mehr als die Hälfte der vom Menschen verbrauchten Kalorien. „Deshalb ist es von größter Bedeutung zu verstehen, wie Pflanzen ‚atmen‘ und wie und warum Gräser effizientere ‚atmende‘ Poren bilden“, ergänzt Raissig.

Obwohl sich diese Studie hauptsächlich auf die Entwicklungsbiologie konzentriert, könnten diese Ergebnisse dennoch für die Verbesserung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen relevant sein. „Stomata sind die zellulären Torwächter zwischen dem Blatt und der Umwelt und reagieren als erste auf Klimaveränderungen“, sagt Ph.D. Studentin und Co-Autorin Roxane Spiegelhalder.

Daher sei es wichtig zu verstehen, wie und warum Gräser die effizientesten „Torwächter“ bilden, um wassereffizienter zu „atmen“. Wie und ob sich diese Erkenntnisse auf andere Nutzpflanzen übertragen lassen, bedürfe jedoch weiterer Forschung, so Spiegelhalder abschließend.