🌱 Pflanzen passen ihre Wurzeln an Klimastress an

Die Wurzeln von Pflanzen sind weit mehr als nur ein Organ zur Wasseraufnahme: Sie können ihre Struktur anpassen, um besser mit Wasserstress umzugehen.

Wissenschaftler haben 284 natürliche Varietäten der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) untersucht und herausgefunden, dass die Menge und Verteilung von Suberin – einer schützenden Barriere in den Wurzeln – je nach geografischer Herkunft und Klima variieren.


Die Wissenschaftler haben zudem ein neues, die Suberinproduktion regulierendes Gen identifiziert, das mit dem Wasserstresshormon verbunden ist. Diese in der Fachzeitschrift Nature Plants veröffentlichte Studie bietet Perspektiven, um die Anpassung von Pflanzen an ihre Umwelt zu verstehen und Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit zu machen.

Die Wurzeln bilden die Hauptschnittstelle zwischen Pflanzen und Boden. Um die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen zu regulieren, lagern Pflanzen in der Endodermis – der Zellschicht, die die Leitgefäße umgibt – eine hydrophobe Barriere aus Suberin (dem Hauptbestandteil von Kork) ab. Diese Barriere spielt eine zentrale Rolle bei der Anpassung an Umweltbelastungen wie Trockenheit, Salinität oder Nährstoffmangel.

Bislang basierten die Kenntnisse über die Regulation der Suberinsynthese hauptsächlich auf einer Referenzlinie der Acker-Schmalwand, der Modellpflanze der Pflanzengenetik, die im Laborgewächshaus kultiviert wurde. Die Wissenschaftler wussten weitgehend nicht, wie ihre Bildung unter natürlichen Bedingungen gesteuert wird.

Das Team hat ein bislang unbekanntes Gen identifiziert, das eine zentrale Rolle bei der Bildung dieser Barriere spielt.

Erforschung der natürlichen Vielfalt

Das Team unter der Leitung von Marie Barberon, assoziierte Professorin am Department für Pflanzenwissenschaften der Sektion Biologie der Fakultät für Naturwissenschaften, untersuchte natürliche Variationen, indem es die Merkmale und Genome von 284 Acker-Schmalwand-Linien aus verschiedenen Regionen der Welt analysierte. Mithilfe eines Fluoreszenzfarbstoffs quantifizierte das Genfer Team das Suberin-Bildungsprofil entlang der Wurzel bei jeder Linie. Es beobachtete eine auffällige Vielfalt in den Niveaus und Profilen der Suberinablagerung.

Durch die Korrelation dieser Merkmale mit den klimatischen Bedingungen der Herkunftsregionen der Acker-Schmalwände stellte das Team fest, dass die Suberinablagerungen in Regionen mit hoher Niederschlagsvariabilität, trockeneren Bedingungen und hohen Temperaturen ausgeprägter sind.

"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verstärkung der Barriere eine natürliche Anpassung an Wasserstress darstellt, die eine bessere Kontrolle des Wasseraustauschs mit dem Boden ermöglicht", erklärt Jian-Pu Han, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor von Prof. Barberon und Erstautor der Studie.

Identifizierung eines neuen genetischen Regulators

Durch eine genomweite genetische Analyse identifizierte das Team ein bislang unbekanntes Gen, das eine zentrale Rolle bei der Bildung dieser Barriere spielt.

"Dieses Gen fungiert als Schlüsselregulator für Suberin: Wenn es aktiver ist, wird die Barriere verstärkt; wenn es gestört ist, wird sie weniger effizient ausgebildet", fährt Jian-Pu Han fort. Die Biologen entdeckten außerdem, dass dieser Kontrollmechanismus mit Abscisinsäure (ABA) verbunden ist, einem zentralen Pflanzenhormon bei der Reaktion auf Umweltstress, insbesondere Wasserstress.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Modulation der hormonellen Reaktionen, die die Suberinablagerung beeinflussen, ein zentrales Element der Anpassungsstrategie von Pflanzen an das Klima ist", schließt Marie Barberon. Durch die Identifizierung eines neuen genetischen Hebels zur Anpassung der Wurzeleigenschaften ebnet diese Studie den Weg für die Entwicklung von Nutzpflanzen, die widerstandsfähiger gegen Klimastress sind.