Im Projekt HYDROSENSING wird erforscht, wie Pflanzen Wasserstress wahrnehmen und welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen. Letztendlich streben wir mit unserem interdisziplinären Forschungsvorhaben an, ein potenziell universelles Design-Konzept zu entschlüsseln, welches uns in Zukunft ermöglichen könnte, Wasserstress in Pflanzen effizient entgegenzuwirken. Das Ziel des Projekts ist es also, eine sehr grundlegende Lücke im wissenschaftlichen Verständnis zu schließen, um so die Entwicklung klimaresistenter Nutzpflanzen zu unterstützen und die globale Ernährungssicherheit zu stärken.

Wasser ist für das Leben auf der Erde unverzichtbar. Pflanzen benötigen Wasser für lebenswichtige Funktionen wie Photosynthese, Nährstoffaufnahme, Wachstum und Entwicklung. Wassermangel ist aufgrund des Klimawandels ein zunehmendes Problem in der globalen Landwirtschaft. Europa hat beispielsweise im Jahr 2022 die volle Wucht des Wasserstresses erlebt, mit verheerenden Auswirkungen auf Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft. Trotz der enormen Bedeutung von Wasser ist bisher nicht bekannt, wie Pflanzen seine Verfügbarkeit wahrnehmen ("Hydrosensing"), doch dieses Wissen bildet die Grundlage für die Entwicklung klimaresistenter Pflanzen. Erst wenn die Kernmechanismen für die Sensorik von Wassermangel in Pflanzen identifiziert und verstanden sind, kann auch die Entwicklung klimaresistenter Nutzpflanzen nachhaltig vorangetrieben werden.

Studien unseres ERC-Synergie-Teams haben gezeigt, dass die Bewegung des Wassermangelhormons Abscisinsäure (ABA) von den vaskulären Geweben hin zu den äußeren Zielgeweben einen zentralen Signalmechanismus bei Wassermangel in Wurzel und Spross darstellt. Wir vermuten, dass dieser spezialisierte Zelltyp Wasserstress-induzierte Veränderungen im hydraulischen Fluss über Störungen im Plasmamembran-Zellwand-Kontakt wahrnimmt, welche die Freisetzung von ABA kontrollieren. Die Untersuchung, wie diese Wasserstressreaktionen die ABA-Bewegung von inneren zu äußeren Geweben steuern, ist gerade in Wurzeln sehr elegant durchzuführen, denn Wassermangel unterdrückt ihre laterale Verzweigung. Auf diesem Wege können in Wurzeln genetische Veränderungen durch Mutationen phänotypisch schnell und eindeutig untersucht werden.

Wir verfolgen einen interdisziplinären, multi-skaligen Forschungsansatz. Wir nutzen neuartige Technologien wie Stimulierte Raman-Streuung (SRS), Brillouin-Mikroskopie und innovative Biosensoren, um zu zeigen, wie Wassermangel hydraulische Flüsse beeinflusst. Die fehlenden Komponenten im molekularen Mechanismus der Wasser-Sensorik werden mittels eines innovativen multi-zielgerichteten CRISPR-Ansatzes identifiziert, der entwickelt wurde, um genetische Redundanz zu überwinden. In Kombination mit hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie werden wir dann einen integralen Wasser-Sensorik-Mechanismus für Wurzel- und Sprossgewebe formulieren, der von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene reichen und die Konservierung gemeinsamer Konstruktionsprinzipien über das Pflanzenreich hinweg etablieren soll.

Meine Arbeitsgruppe untersucht die Regulation von Transportmechanismen über die Plasmamembran. Dazu bestimmen wir atomare Strukturen von Membranproteinen wie Sekundärtransportern und Kanälen in unterschiedlichen funktionellen Zuständen mithilfe der kryo-elektronenmikroskopischen Einzelteilchen-Analyse. Wir werden im HYDROSENSING-Projekt die Wechselwirkung von Plasmamembran-Proteinen und Zellwand-Kinasen strukturell und funktionell untersuchen, um so einen molekularen Mechanismus der hydraulischen Regulation und ABA-Signalgebung in Pflanzen aufzudecken.

Wir werden erforschen, inwieweit die Schlüsselsignale und molekularen Komponenten auch in Nutzpflanzen konserviert sind. Das neue Wissen über den Kernmechanismus der Wasser-Sensorik wird mithilfe von meta-genomischen und strukturellen Modellierungsansätzen auf eine Vielzahl von Pflanzenarten übertragen, um so neue Targets für die Pflanzenzüchtung aufzuzeigen. Dabei werden wir eng mit internationalen Pflanzenzüchtungsprogrammen zusammenarbeiten. Zudem wird das HYDROSENSING-Projekt neue Technologien entwickeln. Zum Beispiel wird der multifunktionale CRISPR-Ansatz Züchtern trotz der hohen genetischen Redundanz in Pflanzen ein sicheres Auswahlverfahren zur Verfügung stellen, welches es in Zukunft ermöglicht, die Wasserstressresistenz in Nutzpflanzen gezielt und signifikant zu verbessern.

Interview: Beatrix Boldt