Die aus den Hochanden stammende Nutzpflanze Quinoa erlebt derzeit als Superfood eine Renaissance. Die alte Nahrungspflanze ist nicht nur proteinreich, sondern auch äußerst anspruchslos. Ihr Talent, selbst auf trockenen und salzigen Böden zu gedeihen, macht sie daher zu einem interessanten Forschungsobjekt. Mit der Entzifferung des Quinoa-Genoms bekam die Pflanzenzüchtung 2017 ein wertvolles Werkzeug in die Hand.

Züchtungsstrategie nach Quinoa-Vorbild

Für Pflanzenforscher Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg ist Quinoa ein Vorbild, um zukünftig salztolerantere Nutzpflanzen züchten zu können. „Die bisherigen Ansätze, salztolerante Pflanzen zu züchten, muss man als mehr oder weniger gescheitert betrachten“, erklärt der Forscher. Der Grund: Bisher wurde versucht, Kulturpflanzen auf salzigen Böden wachsen zu lassen und dabei salztolerante Zuchtlinien zu identifizieren. „Unsere Kulturpflanzen sind aus jahrelanger Zucht hervorgegangen. In dieser Zeit hat der Mensch fast alle negativen Umwelteinflüsse von ihnen ferngehalten, so dass sie viel von ihrer natürlichen Widerstandskraft verloren haben. Kommen diese Elitelinien mit zu viel Salz in Kontakt, gehen sie meist ein“, erklärt Hedrich. Gemeinsam mit Sergey Shabala von der Universität Tasmanien hat der Würzburger Experte daher eine neue Strategie nach dem Vorbild der Quinoa-Pflanze erarbeitet. Im Fachjournal „Cell Reports“ legt das Team die Gründe für die Salztoleranz der Andenpflanze offen.

Blasenzellen auf dem Blatt sorgen für Salztoleranz

Die Pflanze nimmt danach Salz aus dem Boden auf und lagert es in blasenförmige Zellen auf ihrer Blattoberfläche ein. Mit einem Durchmesser von fast einem halben Millimeter sind die ovalen und runden Exemplare meist auch mit bloßem Auge zu erkennen. Ihr Speichervolumen ist bis zu 1000 Mal größer als das einer normalen Zelle der Blattoberfläche. Aufgrund der Bläschen bleiben die salzempfindlichen Stoffwechselvorgänge geschützt, so dass Quinoa selbst auf salzigen Böden gut wachsen kann. Dass die Blasenzellen tatsächlich für die Salztoleranz verantwortlich sind, hat das Team bewiesen. Das Streichen mit einem Pinsel über die Blattoberfläche reichte aus, dass die Salzblasen abfielen. Während die von den Bläschen befreiten Quinoa-Exemplare in salzfreien Böden gediehen, blieb ihr Wachstum in kochsalzhaltigen Böden erheblich zurück.

Stressgene in Blasenzellen äusterst aktiv

Zugleich hat das Team um Hedrich die aktiven Gene von Blatt- und Blasenzellen verglichen. Die Analyse ergab: Schon ohne Salzbehandlung sind in den Blasenzellen der Quinoa-Pflanze Gene aktiv, die bei anderen Pflanzenarten erst bei Stress in Aktion treten. Dazu gehören auch Transporter, die Natrium- und Chlorid-Ionen in die Blasenzelle transportieren. Kommt Salz hinzu werden noch weitere Gene aktiviert, die zur Aufrechterhaltung des Signalwegs des Stresshormons ABA gebraucht werden. Die nötige Energie für die Salzspeicherung beziehen die Blasenzellen wiederum aus Zuckermolekülen, die sie eigens aus dem Blatt importieren. „Die Blasenzellen bekommen die nötige Energie vom Blatt und revanchieren sich, indem sie dem Blatt das toxische Salz abnehmen“, erklärt Hedrich

Zukünftig Zuckerrüben mit Quinoa-Genen resistenter machen

Die neuen Erkenntnisse sehen die Wissenschaftler als einen Anfang, um „auf lange Sicht“ salztolerantere Pflanzen züchten zu können. Am Ende könnte nicht nur die Züchtung noch salztoleranterer Quinoas stehen, sondern auch die Einkreuzung der Salztoleranz-Gene in verwandte Kulturpflanzen wie Zuckerrüben oder Spinat. Bis auf weiteres ist die Quinoa-Pflanze für die Forscher noch ein Lernobjekt. „In einer Kombination aus Entwicklungsgenetik und funktioneller Analyse der Salztransport-Proteine wollen wir nun die molekularen Mechanismen verstehen, über welche die Salztoleranz bei Quinoa entsteht und aufrechterhalten wird“, sagt Hedrich.

bb