Wenn die Temperaturen steigen, identifizieren Forscher Mechanismen hinter der Reaktion von Pflanzen auf die Erwärmung

Mikroskopisch kleine Poren auf der Blattoberfläche, sogenannte Stomata, helfen Pflanzen beim „Atmen“, indem sie steuern, wie viel Wasser sie durch Verdunstung verlieren. Diese Stomataporen ermöglichen und steuern auch die Aufnahme von Kohlendioxid für die Photosynthese und das Wachstum.

Bereits im 19. Jahrhundert wussten Wissenschaftler, dass Pflanzen ihre Stomata-Porenöffnungen vergrößern, um zu schwitzen, indem sie Wasserdampf durch die Stomata schicken, um sich abzukühlen. Heutzutage, da die globalen Temperaturen und Hitzewellen zunehmen, gilt die Erweiterung der Stomataporen als Schlüsselmechanismus, der Hitzeschäden an Pflanzen minimieren kann.

Doch seit mehr als einem Jahrhundert fehlt den Pflanzenbiologen eine umfassende Aufklärung über die genetischen und molekularen Mechanismen, die hinter einer erhöhten stomatalen „Atmung“ und Transpirationsprozessen als Reaktion auf erhöhte Temperaturen stehen.

Ph.D. der University of California San Diego School of Biological Sciences. Der Student Nattiwong Pankasem und Professor Julian Schroeder haben ein detailliertes Bild dieser Mechanismen erstellt. Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht im Tagebuch Neuer PhytologeIdentifizieren Sie zwei Wege, die Pflanzen nutzen, um mit steigenden Temperaturen umzugehen.

„Mit steigenden globalen Temperaturen besteht offensichtlich eine Bedrohung für die Landwirtschaft durch die Auswirkungen von Hitzewellen“, sagte Schroeder. „Diese Forschung beschreibt die Entdeckung, dass steigende Temperaturen eine Spaltöffnung durch einen genetischen Weg (Mechanismus) verursachen, aber wenn die Hitze noch weiter ansteigt, dann greift ein anderer Mechanismus, der die Öffnung der Spaltöffnungen erhöht.“

Jahrzehntelang kämpften Wissenschaftler aufgrund der erforderlichen komplizierten Messprozesse darum, eine klare Methode zu finden, um die Mechanismen zu entschlüsseln, die den temperaturbedingten Spaltöffnungen zugrunde liegen. Die Schwierigkeit liegt in der komplexen Mechanik begründet, die bei der Einstellung der Luftfeuchtigkeit (auch Dampfdruckdifferenz oder VPD genannt) auf konstante Werte bei steigender Temperatur erforderlich ist, und in der Schwierigkeit, Temperatur- und Feuchtigkeitsreaktionen auseinanderzuhalten.

Pankasem half bei der Lösung dieses Problems, indem er einen neuartigen Ansatz entwickelte, um die VPD von Blättern bei steigenden Temperaturen auf feste Werte zu beschränken. Anschließend entschlüsselte er die genetischen Mechanismen einer Reihe stomataler Temperaturreaktionen, darunter Faktoren wie Blaulichtsensoren, Dürrehormone, Kohlendioxidsensoren und temperaturempfindliche Proteine.

Wichtig für diese Forschung war ein Gasaustauschanalysator der neuen Generation, der eine verbesserte Kontrolle des VPD (Festlegen des VPD auf feste Werte) ermöglicht. Forscher können jetzt Experimente durchführen, um die Auswirkungen der Temperatur auf die Spaltöffnung aufzuklären, ohne dass Blätter von ganzen lebenden Pflanzen entfernt werden müssen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die stomatäre Erwärmungsreaktion durch einen Mechanismus bestimmt wird, der in allen Pflanzenlinien vorkommt. In dieser Studie untersuchte Pankasem die genetischen Mechanismen zweier Pflanzenarten: Arabidopsis thaliana, eine gut untersuchte Unkrautart, und Brachypodium distachyon, eine Blütenpflanze, die mit wichtigen Getreidekulturen wie Weizen, Mais und Reis verwandt ist und ein geeignetes Modell darstellt für diese Kulturen.

Die Forscher fanden heraus, dass Kohlendioxidsensoren eine zentrale Rolle bei den Erwärmungs- und Abkühlungsreaktionen der Stomata spielen. Kohlendioxidsensoren erkennen, wenn sich Blätter schnell erwärmen. Dadurch wird die Photosynthese in den sich erwärmenden Blättern gesteigert, was zu einer Reduzierung des Kohlendioxids führt. Dadurch werden die Stomataporen geöffnet, sodass die Pflanzen von der erhöhten Kohlendioxidaufnahme profitieren können.

Interessanterweise fand die Studie auch einen zweiten Wärmereaktionsweg. Unter extremer Hitze wird die Photosynthese in Pflanzen gestresst und nimmt ab. Es wurde festgestellt, dass die stomatäre Wärmereaktion das Kohlendioxid-Sensorsystem umgeht und sich von den normalen, durch Photosynthese gesteuerten Reaktionen trennt. Stattdessen nutzen die Stomata einen zweiten Wärmereaktionsweg, der dem „Schwitzen“ als Kühlmechanismus ähnelt, ähnlich wie beim Eindringen in ein Haus durch eine Hintertür.

„Die Auswirkungen des zweiten Mechanismus, bei dem Pflanzen ihre Spaltöffnungen öffnen, ohne von der Photosynthese zu profitieren, würden zu einer Verringerung der Wassernutzungseffizienz von Nutzpflanzen führen“, sagte Pankasem. „Basierend auf unserer Studie benötigen Pflanzen wahrscheinlich mehr Wasser pro aufgenommener CO2-Einheit. Dies kann direkte Auswirkungen auf die Bewässerungsplanung für die Pflanzenproduktion und weitreichende Auswirkungen einer erhöhten Transpiration von Pflanzen in Ökosystemen auf den Wasserkreislauf als Reaktion darauf haben.“ globale Erwärmung.“

„Diese Arbeit zeigt, wie wichtig von Neugier getriebene Grundlagenforschung ist, um gesellschaftliche Herausforderungen anzugehen, Widerstandsfähigkeit in Schlüsselbereichen wie der Landwirtschaft aufzubauen und möglicherweise die Bioökonomie voranzutreiben“, sagte Richard Cyr, Programmdirektor der US National Science Foundation Direktion für Biowissenschaften. „Ein besseres Verständnis der molekularen Komplexität, die die Grundlage der Spaltöffnungsfunktion bei höheren Temperaturen steuert, könnte zu Strategien führen, um die für die Landwirtschaft benötigte Wassermenge angesichts des globalen Temperaturanstiegs zu begrenzen.“

Mit den neuen Details arbeiten Pankasem und Schroeder nun daran, die molekularen und genetischen Mechanismen hinter dem sekundären Wärmereaktionssystem zu verstehen.

Die Co-Autoren der Studie sind: Nattiwong Pankasem, Po-Kai Hsu, Bryn Lopez, Peter Franks und Julian Schroeder.