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Signalmolekül in Pflanzen Trockene Erinnerung: Wie Pflanzen sich Durst merken

Redakteur: Christian Lüttmann

Pflanzen erinnern sich an die Trockenheit des vorigen Tages. Dazu nutzen sie einen Botenstoff, der als Signalmolekül des Nervensystems von Menschen und Tieren bekannt ist. Dies haben Forscher der Uni Würzburg und der australischen Universität Adelaide herausgefunden.

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Pflanzen wie Gerste haben eine Art Trocken-Gedächtnis.
Pflanzen wie Gerste haben eine Art Trocken-Gedächtnis.
(Bild: Ruslan Zh)

Würzburg – Für Pflanzen gilt wie für Tiere und Menschen: Wasser ist überlebenswichtig. Gerade in trockenen Gebieten haben Pflanzen deshalb Strategien entwickelt, um mit möglichst wenig Wasser auszukommen. Ihren Wasserhaushalt regulieren sie über Spaltöffnungen auf ihren Blättern, Stoma genannt. Diese kleinen Münder können sie öffnen und schließen und so einstellen, wie viel Wasser sie durch Transpiration abgeben. Und anscheinend merken sich die Pflanzen sogar, wie trocken es am Vortag war und passen ihre Spaltöffnungen entsprechend an.

Diese Entdeckung hat ein Team der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Adelaide in Australien gemacht. Demnach nutzen Pflanzen das Signalmolekül GABA (Gamma-Aminobuttersäure), um sich an die Trockenheit eines Tages zu erinnern. Je trockener es ist, umso mehr GABA häuft sich im Lauf des Tages im Pflanzengewebe an. Und am nächsten Morgen entscheidet die GABA-Menge darüber, wie weit die Pflanze ihre Blattporen aufmacht, also wie viel Wasser sie durch Verdunstung aus ihren „Mündern“ freigibt.

GABA ist vor allem als Botenstoff des Nervensystems von Menschen und Tieren bekannt. Obwohl Pflanzen keine Nervenzellen und kein Gehirn haben, taucht das Signalmolekül nun aber auch bei ihnen im Zusammenhang mit gedächtnisähnlichen Vorgängen auf. Das „Erinnern“ an die Trockenheit des Vortages ist dabei nicht die einzige Situation, wo GABA in Pflanzen eine Rolle spielt. So nutzt die fleischfressende Venusfliegenfalle eine Art Kurzzeitgedächtnis, mit dem sie die Zahl der Berührungen durch ihre Beutetiere zählt. Dies funktioniert über den Kalziumspiegel in der Zelle. Und der Kalziumspiegel reguliert auch die enzymatische Biosynthese von GABA in Pflanzen.

Mehr GABA macht Pflanzen resistenter gegen Trockenheit

Die GABA-Wirkung wurde bei verschiedenen Ackerfrüchten nachgewiesen, wie Professor Matthew Gilliham von der Universität Adelaide erklärt: „Unter dem Einfluss von GABA schließen zum Beispiel Gerste, Saubohnen und Sojabohnen ihre Blattporen.“ Derartig reagieren auch Laborpflanzen, die durch Mutationen mehr GABA produzieren als normal. Diese Mutanten brauchen in Experimenten weniger Wasser und überstehen eine Trockenheit länger. Bei Pflanzen sind noch andere Signalstoffe bekannt, unter deren Einfluss sich die Blattporen schließen. Doch GABA setze den Forschern zufolge auf einen komplett anderen Wirkmechanismus.

Bei Trockenheit wird das Signalmolekül GABA gebildet und hemmt die Öffnung der Blattporen (l.). Wird das Enzym GAD2, das Glutamat zu GABA umwandelt, genetisch ausgeschaltet, bleiben die Poren auch bei Trockenheit offen – die Pflanzen verlieren mehr Wasser (Mitte). Schleust man das Gen für GAD2 wieder in die Schließzellen ein, wird der Defekt aufgehoben. Das Experiment zeigt, dass die Schließzellen autonom Stress wahrnehmen und mit GABA-Produktion darauf reagieren.
Bei Trockenheit wird das Signalmolekül GABA gebildet und hemmt die Öffnung der Blattporen (l.). Wird das Enzym GAD2, das Glutamat zu GABA umwandelt, genetisch ausgeschaltet, bleiben die Poren auch bei Trockenheit offen – die Pflanzen verlieren mehr Wasser (Mitte). Schleust man das Gen für GAD2 wieder in die Schließzellen ein, wird der Defekt aufgehoben. Das Experiment zeigt, dass die Schließzellen autonom Stress wahrnehmen und mit GABA-Produktion darauf reagieren.
(Bild: Rainer Hedrich / Universität Würzburg)

Erkenntnisse über die Wasserspar-Mechanismen und die Trockentoleranz von Pflanzen werden in Zeiten des Klimawandels immer wichtiger. Schon seit einigen Jahren setzen zunehmende Hitze und Dürre vielen Nutzpflanzen zu. Bedroht sind auch die landwirtschaftlich nutzbaren Wasser-Ressourcen der Erde. Die Menschheit dürfte darum verstärkt auf Neuzüchtungen angewiesen sein, die mit möglichst wenig Wasser noch gute Erträge liefern. Die Erkenntnisse zu den GABA-Mechanismen können

Originalpublikation: Bo Xu, Yu Long, Xueying Feng, Xujun Zhu, Na Sai, Larissa Chirkova, Annette Betts, Johannes Herrmann, Everard J. Edwards, Mamoru Okamoto, Rainer Hedrich & Matthew Gilliham: GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience, Nature Communications volume 12, Article number: 1952 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-21694-3

(ID:47320038)