Verfolgung der Mechanismen zur Bewältigung von Wasserknappheit von Moosen bis hin zu Blütenpflanzen

Stellen Sie sich vor, Sie finden die vertrockneten Überreste eines einst grünen und üppigen Philodendrons in Ihrem Bücherregal und stellen fest, dass Sie sich nicht mehr daran erinnern können, wann Sie Ihre Zimmerpflanzen das letzte Mal gegossen haben. Sie tränken den Boden mit Wasser und hoffen, dass Sie der ausgetrockneten Schale wieder Leben einhauchen können, aber das ist zwecklos. Die Pflanze war zu lange zu stark dehydriert und es entstanden irreparable Schäden.

Stellen Sie sich nun vor, dass nicht Ihre vernachlässigten Zimmerpflanzen einer unerwartet trockenen Vegetationsperiode ausgesetzt sind, sondern ein Weizenfeld. Mit den Veränderungen des globalen Klimas kommen solche Dinge immer häufiger vor und geben Landwirten, Verbrauchern und Forschern gleichermaßen Anlass zur Sorge, da die Bedrohung der Ernährungssicherheit zunimmt.

Aber was wäre, wenn Pflanzen Perioden rauer, trockener Umweltbedingungen standhalten könnten? Was wäre, wenn sie austrocknen könnten, aber dennoch lebensfähig bleiben könnten, so dass sie, wenn wieder reichlich Wasser vorhanden ist, wieder zum Leben erwachen?

Dieses Konzept, „Trocknen ohne Absterben“ oder Austrocknungstoleranz, war eine Adaption, die es Pflanzen ermöglichte, Land zu besiedeln, und wird immer noch von ausgewählten Arten im gesamten Pflanzenreich genutzt.

In einer neu veröffentlichten Studie in Neuer Phytologeerforschte ein interdisziplinäres Team aus Forschern des Boyce Thompson Institute (BTI) die Entwicklung dieses Phänomens in einer Gruppe von Moosen und fand einen roten Faden, der sich über 450 Millionen Jahre Pflanzenentwicklung erstreckt.

Diese Studie war Teil einer größerer Aufwand die Biodiversität von Moosen zu verstehen, mit Schwerpunkt auf Syntrichia-Arten. Diese besonderen Moose spielen eine entscheidende ökologische Rolle in Biokrusten von Trockengebieten, die von Dr. Brent Mishler, Professor an der University of California in Berkeley und einem der leitenden Forscher des Projekts, als „lebende Haut der Erde“ beschrieben werden.

Es handelt sich um eine komplexe Gemeinschaft von Organismen, die eine buchstäbliche Kruste auf der Bodenoberfläche bildet und dazu dient, die Stabilität und Fruchtbarkeit des darunter liegenden Bodens aufrechtzuerhalten, ähnlich wie das Mikrobiom der menschlichen Haut eine wesentliche Rolle für unsere eigene Gesundheit spielt.

Dr. Melvin Oliver, pensionierter USDA-Forscher und derzeitiger außerordentlicher Professor an der University of Missouri-Columbia, hat diese Moose vierzig Jahre lang untersucht und eine vielfältige Gruppe von Forschern zusammengestellt, um an verschiedenen Aspekten des Projekts zu arbeiten, von Genomik und Transkriptomik bis hin zu Phylogenetik und Physiologie. Aufbauend auf einer früheren Erkundung der Genom von Syntrichia caninervisIn dieser Studie wurden die Sequenzierung und Assemblierung des Syntrichia-ruralis-Genoms sowie die Profilierung von Genexpressionsänderungen durchgeführt, die mit der Dehydrierung und Rehydrierung dieser beiden Arten einhergehen.

„Diese Arten sind sehr eng miteinander verwandt, haben aber auch diese harten Linien im Sand, buchstäblich in der Wüste, wo sie in unterschiedlichen Lebensräumen leben“, erklärt Dr. Jenna Ekwealor, Assistenzprofessorin an der San Francisco State University und Co-Hauptautorin auf dem Manuskript. Sie beschreibt S. caninervis als einen Spezialisten für trockene Umgebungen, während S. Ruralis als Generalist in Umgebungen mit einer größeren Wasserverfügbarkeit gedeihen kann.

Sowohl S. caninervis als auch S. Ruralis sind austrocknungstolerant, können jedoch aufgrund ihrer spezifischen Umweltpräferenzen leicht unterschiedliche Strategien (z. B. unterschiedliche molekulare Werkzeuge) zum Trocknen und Rehydrieren anwenden.

Durch den Vergleich, wie diese beiden Arten den Auferstehungsprozess bewältigen, können wir verstehen, wie Moose mit Wasserknappheit umgehen und wie sich diese Mechanismen entwickelt haben. Interessanterweise deuten die Erkenntnisse aus der Arbeit darauf hin, dass diese eng verwandten Moose ähnliche Wege nutzen, um den Dehydrierungsprozess zu koordinieren, sich jedoch in der Art und Weise unterscheiden, wie sie mit der Rehydrierung umgehen – etwas, das weiterer Untersuchungen bedarf.

Das Verständnis der Mechanismen der Austrocknungstoleranz bei Moosen könnte Aufschluss über ähnliche Prozesse bei Blütenpflanzen geben. In einem Prozess, der an die Wiederauferstehung von Moosen erinnert, trocknen die Samen blühender Pflanzen während ihrer Reife aus und versetzen sie in einen Ruhezustand, der es ihnen ermöglicht, zu überleben, bis die Umweltbedingungen optimale Bedingungen bieten.

MYB55, ein vom BTI-Postdoktoranden Xiaodan Zhang identifizierter Regulator, kommt in Moosen und Blütenpflanzen vor und scheint eine Rolle bei der Auferstehung und Samenruhe zu spielen. Dies spricht für „einen konservierten evolutionären Mechanismus über verschiedene Pflanzenarten hinweg“, wie Dr. Zhang beschreibt, „der Einblicke in die Entwicklung pflanzlicher Stressreaktionen und in die Art und Weise liefert, wie bestimmte Schlüsselgene im Laufe der Evolutionszeit erhalten und für neue Zwecke genutzt wurden.“

Es ist interessant zu sehen, dass diese Werkzeuge zur Austrocknungstoleranz im Laufe der Entwicklung von Blütenpflanzen nicht verloren gegangen sind, sondern stattdessen für spezielle Zwecke an bestimmte Pflanzengewebe in bestimmten Lebensstadien delegiert wurden. Der Mitautor Dr. Andrew Nelson, Assistenzprofessor am BTI, hofft, diese evolutionären Zusammenhänge nutzen zu können, um andere konservierte Aspekte der Reaktionen auf Wasserknappheit zu identifizieren.

Es mag seltsam erscheinen, sich von Moosen für die Entwicklung widerstandsfähigerer Pflanzen inspirieren zu lassen. Dr. Oliver ist mit der Skepsis vertraut, da er seine Forschung an einer Institution durchgeführt hat, die sich hauptsächlich auf die Landwirtschaft konzentriert. Aber er sagt: „Ich würde dieses vertrocknete kleine Stück Moos nehmen und es ihnen in die Hand geben und dann etwas Wasser darauf spritzen, und dreißig Sekunden später hat man diese leuchtend kleine grüne Pflanze, die vollkommen lebendig ist … Das ist sie.“ Wie überleben Pflanzen im Grunde das Trocknen?“ Eine besonders relevante Frage.

Diese Moose verfügen über die Werkzeuge, um mit rauen Umweltbedingungen zurechtzukommen, Werkzeuge, die in der einen oder anderen Form über 450 Millionen Jahre der Evolution hinweg erhalten geblieben sind. Wenn wir besser verstehen, wie der Auferstehungsprozess funktioniert, können wir diese Mechanismen möglicherweise nutzen, um Nutzpflanzen und sogar vernachlässigte Zimmerpflanzen widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen.