Wissenschaftler entdecken nichtstomatale Kontrolle des Wasserverlusts bei kritischen Nutzpflanzen

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass bestimmte Pflanzen Stress und Trockenheit überleben können, indem sie den Wasserverlust über ihre Blätter kontrollieren und sich dabei nicht auf ihren üblichen Mechanismus verlassen – winzige Poren, die als Stomata bekannt sind.

Die nichtstomatale Kontrolle der Transpiration bei Mais, Sorghum und Rispenhirse – allesamt C4-Nutzpflanzen, die für die globale Nahrungsmittelsicherheit von entscheidender Bedeutung sind – verschafft diesen Pflanzen den Vorteil, dass sie in ihren Blättern ein günstiges Mikroklima für die Photosynthese aufrechterhalten können.

Dadurch ist es den Pflanzen möglich, trotz erhöhter Temperaturen und eines gesteigerten atmosphärischen Wasserbedarfs im Rahmen der Photosynthese und des Wachstumsprozesses Kohlendioxid aufzunehmen, ohne dass sich der Wasserverbrauch erhöht.

Veröffentlichung ihrer Ergebnisse 16. September in PNASstellen Forscher der University of Birmingham, der Australian National University in Canberra und der James Cook University in Cairns das traditionelle Verständnis der Transpiration und Photosynthese von Pflanzen unter stressigen und trockenen Wachstumsbedingungen in Frage – nämlich, dass ausschließlich die Stomata den Wasserverlust der Blätter kontrollieren.

Co-Autor Dr. Diego Márquez von der Universität Birmingham kommentierte: „Dies hat unser Verständnis der Beziehung zwischen Pflanze und Wasser revolutioniert, indem es gezeigt hat, dass die nicht-stomatale Kontrolle der Transpiration den Wasserverlust begrenzt, ohne die Kohlenstoffaufnahme zu beeinträchtigen – und damit in Frage stellt, was üblicherweise als unvermeidlicher Kompromiss angesehen wird.“

„Unsere Erkenntnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Anpassung der Pflanzen an den Klimawandel und auf die Art und Weise, wie Nutzpflanzen in trockenen Umgebungen angebaut werden können. Das Verständnis dieses Mechanismus könnte neue Wege zur Verbesserung der Wassernutzungseffizienz bei C4-Nutzpflanzen eröffnen, die für die globale Nahrungsmittelsicherheit von entscheidender Bedeutung sind.“

Die Studie bestätigt, dass C4-Pflanzen eine reduzierte relative Luftfeuchtigkeit in der substomatären Höhle aufrechterhalten, bis zu 80 % unter Dampfdruckdefizit (VPD), wodurch der Wasserverlust reduziert wird und die entscheidende Rolle der nichtstomatären Kontrolle bei der Wassernutzungseffizienz hervorgehoben wird.

Dieser Mechanismus hilft Pflanzen, die Photosynthese aufrechtzuerhalten, indem er den Wasserverlust reduziert, ohne den CO2-Gehalt zwischen den Zellen für die Photosynthese signifikant zu senken. Dies ist entscheidend, um das Wachstum aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass die Pflanzen gedeihen.

Die Ergebnisse weisen außerdem darauf hin, dass sich möglicherweise nichtstomatare Kontrollmechanismen vor der Divergenz der Photosynthesewege C3 und C4 entwickelt haben, was auf ein gemeinsames evolutionäres Merkmal hindeutet.

„Unsere Forschung verändert das Verständnis der Wassernutzungseffizienz bei C4-Pflanzen und zeigt, dass dieser alternative Mechanismus den Pflanzen hilft, weiter zu wachsen und Kohlendioxid zu binden, selbst wenn der atmosphärische Wasserbedarf hoch ist. Damit werden traditionelle Annahmen darüber, wie diese Pflanzen Dürren überleben, in Frage gestellt“, fügte Dr. Márquez hinzu.

Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen Licht und Kohlendioxid, um mithilfe eines Enzyms namens Rubisco Zucker für ihr Wachstum herzustellen. Pflanzen nutzen das Kohlendioxid, das durch offene Stomata eindringt, zur Zuckerproduktion, während offene Stomata auch Wasserdampf entweichen lassen.

Während C3-Pflanzen zur Kohlenstoffaufnahme nur auf die CO2-Diffusion durch ihre Stomata angewiesen sind, verfügen C4-Pflanzen über spezielle Blattstrukturen und Enzyme, die das Kohlendioxid um Rubisco herum konzentrieren und so ihre Photosyntheseleistung und Wassernutzungseffizienz verbessern.

Dieser Vorteil ist jedoch mit einem Nachteil verbunden, da diese Pflanzen anfällig für eine erhebliche Verringerung der Photosynthese sind, wenn sich die Stomata schließen. Daher ist der nichtstomatäre Mechanismus entscheidend, um sicherzustellen, dass sie den Wasserverlust erfolgreich kontrollieren können, während die Stomata geöffnet bleiben.