Wie Tomatenpflanzen bei Trockenheit ihre Wurzeln nutzen, um Wasser zu rationieren

Pflanzen müssen flexibel sein, um Umweltveränderungen zu überstehen, und die von ihnen eingesetzten Anpassungsmethoden müssen oft ebenso veränderlich sein wie die Veränderungen des Klimas und der Bedingungen, an die sie sich anpassen. Um mit Trockenheit zurechtzukommen, produzieren Pflanzenwurzeln ein wasserabweisendes Polymer namens Suberin, das verhindert, dass Wasser zu den Blättern hochfließt, wo es schnell verdunsten würde. Ohne Suberin wäre der daraus resultierende Wasserverlust so, als würde man den Wasserhahn laufen lassen.

In einigen Pflanzen wird Suberin von endodermalen Zellen produziert, die die Gefäße in den Wurzeln auskleiden. Aber bei anderen, wie bei Tomaten, wird Suberin in exodermalen Zellen produziert, die direkt unter der Wurzelhaut sitzen.

Die Rolle von exodermalem Suberin war lange unbekannt, doch eine neue Studie von Forschern der University of California, Davis, wurde am 2. Januar veröffentlicht Naturpflanzen zeigt, dass es die gleiche Funktion wie endodermales Suberin hat und dass Tomatenpflanzen ohne es weniger in der Lage sind, Wasserstress zu bewältigen. Diese Informationen könnten Wissenschaftlern dabei helfen, dürreresistente Pflanzen zu entwickeln.

„Damit erweitern wir unser Repertoire an Möglichkeiten, Pflanzen länger zu überleben und mit Dürre zurechtzukommen, um exodermales Suberin“, sagte Siobhan Brady, Professorin am Department of Plant Biology and Genome Center der UC Davis und leitende Autorin des Artikels. „Es ist fast wie ein Puzzle – wenn man herausfindet, welche Zellen über Modifikationen verfügen, die die Pflanze unter schwierigen Umweltbedingungen schützen, kann man anfangen, Fragen zu stellen, wie zum Beispiel: Wenn man diese Abwehrmechanismen übereinander aufbaut, macht das die Pflanze?“ stärker?“

In der neuen Studie arbeitete der Postdoktorand Alex Cantó-Pastor mit Brady und einem internationalen Team von Mitarbeitern zusammen, um die Rolle von exodermalem Suberin aufzudecken und die genetischen Wege zu kartieren, die seine Produktion regulieren.

Kombination neuer und klassischer Methoden

„Es ist wirklich die Verschmelzung klassischer und modernster Methoden, die es uns ermöglicht, sowohl den Prozess zu betrachten, der in einer einzelnen Zelle abläuft, als auch das, was man in der gesamten Anlage sieht“, sagte Brady. „Also von super klein zu ganz, ganz groß.“

Brady, Cantó-Pastor und Kollegen identifizierten zunächst alle Gene, die von exodermalen Wurzelzellen aktiv genutzt werden. Anschließend führten sie eine Genbearbeitung durch, um mutierte Tomatenpflanzenstämme zu erzeugen, denen funktionelle Versionen mehrerer Gene fehlten, von denen sie vermuteten, dass sie an der Suberinproduktion beteiligt sein könnten. Sie entdeckten sieben Gene, die für die Suberin-Ablagerung notwendig sind.

Als nächstes testeten die Forscher die Rolle von exodermalem Suberin bei der Dürretoleranz, indem sie einige der mutierten Tomatenpflanzen einer zehntägigen Dürre aussetzten. Für diese Experimente konzentrierten sich die Forscher auf zwei Gene: SIASFT, ein Enzym, das an der Suberinproduktion beteiligt ist, und SlMYB92, einen Transkriptionsfaktor, der die Expression anderer an der Suberinproduktion beteiligter Gene steuert.

Die Experimente bestätigten, dass beide Gene für die Suberinproduktion notwendig sind und dass Tomatenpflanzen ohne sie schlechter mit Wasserstress umgehen können. Die mutierten Pflanzen wuchsen genauso gut wie normale Pflanzen, wenn sie gut gegossen wurden, verwelkten jedoch nach zehn Tagen ohne Wasser deutlich stärker.

„In beiden Fällen, in denen Mutationen in diesen Genen vorliegen, sind die Pflanzen stärker gestresst und können nicht auf Dürrebedingungen reagieren“, sagte Brady.

Nachdem die Forscher den Nutzen von Suberin in einem Gewächshaus bewiesen haben, planen sie nun, das Trockenheitsschutzpotenzial von Suberin im Feld zu testen.

„Wir haben daran gearbeitet, diese Erkenntnis zu nutzen und sie in die Praxis umzusetzen, um zu versuchen, Tomaten dürretoleranter zu machen“, sagte Brady.