Eine vergrößerte Ansicht eines Stoma auf dem Blatt eines a Tradescantia albiflora albovittata Pflanze, die allgemein als riesige weiße Zollpflanze bekannt ist. Bildnachweis: Douglas Clark
Eine bedeutende Entdeckung über die Mechanismen, mit denen Pflanzen ihre Stomata öffnen und schließen, könnte zu neuen Methoden zum Schutz von Nutzpflanzen vor den Auswirkungen des Klimawandels führen, insbesondere vor dem steigenden Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre.
Während das Atmen oft als selbstverständlicher Prozess angesehen wird, ist es tatsächlich ein komplexer Mechanismus. Biologen gewinnen jetzt ein tieferes Verständnis für die Feinheiten der Atmung in Pflanzen, was wichtige Auswirkungen auf die Deckung des zukünftigen Nahrungsbedarfs der Welt hat.
Ein Team von Forschern aus der University of California San Diego, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Estland und Finnland und finanziert durch die US National Science Foundation, haben einen bisher unbekannten molekularen Weg entdeckt, den Pflanzen nutzen, um ihre Aufnahme von Kohlendioxid zu kontrollieren. Die Forscher glauben, dass es durch die Nutzung dieses Mechanismus möglich sein könnte, die Wassernutzungseffizienz und die Kohlenstoffaufnahme von Pflanzen zu verbessern, was entscheidend ist, da der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre weiter ansteigt. Vor diesem Hintergrund hat das Team ein Patent angemeldet und untersucht Möglichkeiten, seine Erkenntnisse auf die Entwicklung von Werkzeugen für Pflanzenzüchter und Landwirte anzuwenden.
Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte.
Eine vergrößerte Ansicht vieler Stomata der Pflanze auf dem Blatt von a Begonia rex cultorum Pflanze, Anlage. Die Breite jedes Stoma beträgt etwa 80 Mikron. Bildnachweis: Douglas Clark
Stomata, na und?
Pflanzen nehmen Kohlendioxid und Wasser auf und wandeln diese dann mithilfe von Licht in die Nährstoffe um, die sie zum Wachsen benötigen. Bei diesem Vorgang wird auch Sauerstoff freigesetzt, den Menschen und andere Tiere dann einatmen. Das ist die grundlegende Zusammenfassung von Photosynthese. Aber wie genau funktioniert es?
Auf der mikroskopischen Ebene wird der Vorgang etwas deutlicher. Auf der Unterseite der Blätter und anderswo, je nach Pflanze, befinden sich winzige Öffnungen, die Stomata genannt werden – Tausende von ihnen pro Blatt mit Variationen je nach Pflanzenart. Wie kleine Burgtore öffnen Zellpaare an den Seiten der stomatalen Pore – sogenannte Schließzellen – ihre zentrale Pore, um das Kohlendioxid aufzunehmen. Wenn die Spaltöffnungen jedoch geöffnet sind, ist das Innere der Pflanze den Elementen ausgesetzt und Wasser aus der Pflanze geht in die Umgebungsluft verloren, was die Pflanze austrocknen kann. Pflanzen müssen daher die Aufnahme von Kohlendioxid mit dem Wasserdampfverlust ausgleichen, indem sie steuern, wie lange die Stomata geöffnet bleiben.
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Ein stark vergrößertes Video eines einzelnen Stoma, das sich auf einem Blatt einer Tradescantia spathacea-Pflanze öffnet und schließt, die allgemein als Bootslilie bekannt ist. Bildnachweis: Douglas Clark
„Die Reaktion auf Veränderungen ist entscheidend für das Pflanzenwachstum und reguliert, wie effizient die Pflanze Wasser nutzen kann, was wichtig ist, da wir zunehmende Trockenheit und steigende Temperaturen sehen“, sagte Julian Schroeder, Lehrstuhl für Pflanzenwissenschaften des Torrey Mesa Research Institute an der UC San Diego, der die neue Forschung leitete.
Wenn sich das Klima ändert, nehmen sowohl die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration als auch die Temperatur zu, was das Gleichgewicht zwischen dem Kohlendioxideintrag und dem Wasserdampfverlust durch die Spaltöffnungen beeinflusst. Wenn Pflanzen, insbesondere Feldfrüchte wie Weizen, Reis und Mais, kein neues Gleichgewicht finden können, riskieren sie, auszutrocknen, Landwirte riskieren, wertvolle Erträge zu verlieren, und immer mehr Menschen auf der ganzen Welt riskieren, zu hungern. Trotz der Fortschritte in der Landwirtschaft ergab eine 2021 veröffentlichte NSF-finanzierte Studie, dass die globale landwirtschaftliche Produktivität in den letzten 60 Jahren immer noch 21 % niedriger war, als sie ohne den Klimawandel hätte sein können.
Wissenschaftler kennen Stomata und das Gleichgewicht zwischen Kohlendioxidaufnahme und Wasserverlust schon lange. Was sie bisher nicht wussten, ist, wie Pflanzen Kohlendioxid wahrnehmen, um Stomata zu signalisieren, sich als Reaktion auf sich ändernde Kohlendioxidwerte zu öffnen und zu schließen. Das Wissen darüber wird es Forschern nun ermöglichen, diese Signale zu bearbeiten – damit Pflanzen das richtige Gleichgewicht zwischen der Aufnahme von Kohlendioxid und dem Verlust von Wasser finden können – und es Wissenschaftlern und Pflanzenzüchtern ermöglichen, Pflanzen zu produzieren, die robust genug für die Umwelt der Zukunft sind.
Die Wachen rufen
Die Forscher identifizierten eine Reihe von Proteinen, die wie eine Kette von Soldaten funktionieren, die den Kohlendioxidgehalt erfassen und „CLOSE THE GATES!“ rufen. um die Schutzzellen dazu zu bringen, sich zu entspannen und die Spaltöffnungen zu schließen.
„Die Entdeckung, dass der CO2-Sensor in Pflanzen aus zwei Proteinen besteht, war aufschlussreich und könnte ein Grund dafür sein, dass der Mechanismus bis jetzt nicht identifiziert wurde“, sagte Schroeder. „Die Unterstützung der NSF in den letzten zwei Jahrzehnten war entscheidend, um diesen schwer fassbaren Weg zu finden.“
„Diese Arbeit ist ein wunderbares Beispiel für von Neugier getriebene Forschung, die mehrere Disziplinen zusammenbringt – von der Genetik über die Modellierung bis hin zur Systembiologie – und zu neuem Wissen führt, das der Gesellschaft helfen kann, in diesem Fall durch die Züchtung robusterer Pflanzen“, sagte Matthew Büchner, Programmdirektor in der NSF-Direktion für biologische Wissenschaften.
In einer kohlendioxidarmen Umgebung, in der die Pflanze die Stomata länger geöffnet halten muss, um die Menge zu erhalten, die sie für die Photosynthese benötigt, aktiviert ein Protein namens HT1 ein Enzym, das die Schließzellen zum Anschwellen zwingt und das Stoma offen hält.
Wenn die Pflanze einen erhöhten Kohlendioxidgehalt wahrnimmt, blockiert ein zweites Protein das erste daran, die Stomata offen und die Stomata geschlossen zu halten. Wenn sich die Spaltöffnungen schließen, bevor die Pflanze genügend Ressourcen für die Photosynthese erhalten kann, kann der landwirtschaftliche Ertrag geringer oder nicht vorhanden sein.
„Die Bestimmung, wie Pflanzen ihre Spaltöffnungen unter sich ändernden CO2-Werten kontrollieren, schafft eine andere Art von Öffnung – eine für neue Forschungswege und Möglichkeiten zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen“, sagte Richard Cyr, ein NSF-Programmdirektor, der vor seinem Eintritt in die Agentur Pflanzenzellbiologie studierte .
Referenz: „Stomatal CO2/Bicarbonat-Sensor besteht aus zwei interagierenden Proteinkinasen, Raf-like HT1 und Non-Kinase-Activity Activity Needing MPK12/MPK4″ von Yohei Takahashi, Krystal C. Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh , Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjärvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac und Julian I. Schroeder, 7. Dezember 2022, Wissenschaft Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.abq6161
Die Studie wurde von der National Science Foundation finanziert
