Pflanzen können dem Boden selbst kleinste Spuren des wichtigen Nährstoffs Kalium entziehen. Wie ihnen das gelingt, beschreibt ein Team um den Würzburger Biophysiker Rainer Hedrich Naturkommunikation.
Kalium ist einer der Nährstoffe, die Pflanzen in großen Mengen benötigen. Allerdings kann die Menge an Kalium im Boden stark variieren: Kaliumarme Böden können bis zu tausendmal weniger dieses Nährstoffs enthalten als kaliumreiche Böden. Um flexibel auf diese Unterschiede reagieren zu können, haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, mit denen sie ihre Kaliumaufnahme an die jeweilige Bodenbeschaffenheit anpassen.
Wie die Zellen des menschlichen Körpers arbeiten auch Pflanzenzellen mit einer Kaliumkonzentration von etwa 100 Millimolar. Finden die Wurzeln eine Kaliumquelle mit deutlich geringerer Konzentration oder nur Spuren davon, können sie das Kalium nur unter Energieaufwand in ihre Zellen aufnehmen. Dies wird durch die Interaktion zwischen dem Kaliumionenkanal AKT1 und dem Kaliumtransporter HAK5 erreicht.
Forschung ist für die Pflanzenzüchtung relevant
„Obwohl HAK5 seit Ende der 1990er Jahre bekannt ist, ist sein Transportmechanismus bislang weitgehend unbekannt“, sagt Professor Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bayern.
Das Team um den Würzburger Biophysiker klärt nun diesen Mechanismus auf. „Das Wissen darüber ist wichtig, wenn es darum geht, Nutzpflanzen zu züchten, die auch auf ungedüngten oder nur schwach gedüngten Feldern Erträge bringen, also mit weniger Dünger auskommen“, sagt Hedrich.
Bei ihren Experimenten profitierte die Würzburger Forschergruppe um die Erstautoren Tobias Maierhofer und Sönke Scherzer von ihren umfangreichen Erfahrungen mit dem Kaliumkanal AKT1.
Der Aufbau eines pH-Gradienten kostet Energie
Damit der AKT1-Kanal Kalium in die Zellen transportieren kann, sind höhere Kaliumkonzentrationen im Boden erforderlich. Als Energiequelle reicht das normale elektrische Feld der Zellmembran aus. Der HAK5-Transporter hingegen funktioniert bereits bei niedrigen Kaliumwerten im Boden. Zusätzlich zum elektrischen Feld benötigt es die Energie des pH-Gradienten. Dieses Gefälle muss die Pflanze über die Zellmembranen aufbauen, was Energie kostet.
Weitere Experimente zeigten, dass der Kaliumtransporter HAK5 und der Kaliumkanal AKT1 energiesparend zusammenarbeiten, wenn die Kaliumkonzentration im Boden schwankt.
Transporter muss über einen Kaliumsensor verfügen
Bei hohen Konzentrationen wird der energiefressende Transporter HAK5 abgeschaltet. Das bedeutet, dass der Transporter über einen Kaliumsensor verfügen muss. Auf der Suche nach dem Sensor kamen die Frankfurter Strukturbiologin Inga Hänelt und ihr Würzburger Kollege Thomas Müller voran: Sie fanden eine Mutante des Transporters, bei der die Affinität zu Kalium 100-mal geringer ist.
„Jetzt kommt es darauf an, die molekularen Reaktionen, die die Mutation auslösen, genauer zu erforschen“, beschreibt Rainer Hedrich die nächsten Forschungsziele. Außerdem möchte er herausfinden, wie der Kaliumtransport in die Wurzelzelle mechanisch und energetisch mit dem Protonentransport gekoppelt ist.
Weitere Informationen:
Tobias Maierhofer et al., Arabidopsis HAK5 fungiert bei geringer K+-Verfügbarkeit als PMF-betriebener hochaffiner K+-Transporter, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52963-6