Trockenheit bereitet jeder Nutzpflanze Stress und sorgt für Ernteausfälle mit weitreichenden wirtschaftlichen Folgen. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung deutscher Pflanzenforscher hat die zellulären Prozesse untersucht, die Pflanzen dabei helfen, mit dem Stress zurechtkommen. Bei Untersuchungen der Ackerschmalwand stellten die Wissenschaftler fest: In punkto Stressbewältigung sind sich Pflanze und Mensch, zumindest in biochemischer Hinsicht, sehr ähnlich. Wie das Team im Fachjournal Nature Communications (2015, Online-Veröffentlichung) berichtet, entscheidet eine Proteinveränderung über die Empfindlichkeit bei Trockenheit. Bei den Pflanzen wird dadurch die Wirkung eines Pflanzenhormons verändert. Diese Erkenntnis ist sowohl für die Stressbiologie menschlicher Zellen als auch für die Züchtung neuer resistenter Nutzpflanzen von Bedeutung.

Die Entwicklung von Nutzpflanzen, die Trockenheit und anderen Umwelteinflüssen trotzen, steht seit langem im Fokus der Pflanzenforschung. Zentrales Anliegen ist dabei die Absicherung des weltweit wachsenden Ernährungsbedarfes sowie die Suche nach alternativen Rohstoffen für die Biomasseproduktion. Im Rahmen einer gemeinsamen  Förderinitiative haben erst kürzlich das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Zellulärer Stressprozess bei Pflanze und Mensch ähnlich

Dass Trockenheit ein erheblicher Stressfaktor bei Pflanzen ist, ist seit Langem bekannt. Neu ist jedoch: Bei der Stressbewältigung sind sich Pflanzen und Menschen sehr ähnlich, zumindest  im Hinblick auf die biochemischen und zellbiologischen Abläufe, wie ein internationales Forscherteam herausfand. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Frankreich und Norwegen hatten Pflanzenforscher vom Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg, dem Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und dem Zentrum für medizinische Forschung in Mannheim den zellulären Mechanismus bei Trockenstress anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand untersucht.

Wie das Team um Rüdiger Hell und Markus Wirtz im Fachjournal Nature Communications berichtet, sind die Forscher einer bestimmten Proteinveränderung auf die Spur gekommen.  „Eine der häufigsten Veränderungen ist die Anbringung eines Essigsäurerestes am amino-terminalen Ende von Proteinen. Fehlt diese Veränderung vollständig, sind Pflanzen nicht überlebensfähig“, erläutert Rüdiger Hell. Hell zufolge kann diese fehlende Veränderung an bestimmten Proteinen beim Menschen sogar zu Erkrankungen, Entwicklungsstörungen bis hin zum Zelltod führen.

Pflanzenhormon beeinflusst Trockenstress

Im Rahmen der Studie experimentierten die Forscher mit gentechnisch veränderten Pflanzen. Dabei führten sie eine Proteinmodifizierung mittels einer verringerten Menge von Essigsäureresten herbei und untersuchten deren Folgen. „Das bislang als stabil angesehene Veränderungsmuster der Proteine durch Essigsäurereste wandelte sich überraschenderweise in großem Umfang. Die gezielt gentechnisch veränderten Pflanzen erwiesen sich dabei als resistenter gegen Wassermangel“, so Markus Wirtz. Verantwortlich für diesen Effekt, so die Forscher, ist das Pflanzenhormon Abscisinsäure, das beim Trockenstress in Pflanzen eine zentrale Rolle spielt. Das Hormon sorgt dafür, dass die Pflanze ihren natürlichen Mechanismus gegen Trockenstress ständig aktiviert - wie dem Schließen der Spaltöffnungen und der Verlängerung der Primärwurzeln - und so gegen Wassermangel resistent ist.