Wer sich schon einmal in der Sommersonne angestrengt hat, kennt das Dilemma: Schweiß kühlt den Körper zwar ausgezeichnet, entzieht ihm aber auch Feuchtigkeit und wichtige Mineralstoffe. Pflanzen haben einen ähnlichen Zielkonflikt: Sie besitzen Poren, durch die sie einerseits das für die Photosynthese essenzielle Kohlenstoffdioxid aufnehmen. Andererseits verlieren sie durch die geöffneten Poren Feuchtigkeit. Bei großer Trockenheit schließen Pflanzen deshalb einen Teil ihrer sogenannten Stomata. Ein Würzburger Forschungsteam hat nun einen Ansatz identifiziert, wie Pflanzen sich noch besser dagegen schützen könnten auszutrocknen.

Innendruck der Schließzellen maßgeblich

Ob Stomata geöffnet oder geschlossen sind, regeln Schließzellen, die die Poren umgeben. Erhöht sich der Innendruck dieser Zellen, drücken sie sich auseinander und öffnen die Pore. Sinkt der Innendruck aber, erschlaffen die Zellen und schließen die Pore wieder. Die biochemische Regulation dieses Prozesses ist so kompliziert, dass es der Pflanzenforschung bislang nicht gelang, einzugreifen. Ein Team der Universität Würzburg hat nun mit einem Trick einen Weg um das Problem herum gefunden.

Anionenkanal steuert Zellinnendruck

Die Fachleute bauten in die Zellen von Tabakpflanzen einen optogenetischen Schalter ein, wie sie im Fachjournal „Science Advances“ berichten. Bei diesem Schalter handelt es sich um ein Protein, dessen Aktivität durch Lichtimpulse ein- und ausgeschaltet werden kann. Dieses Protein namens ACR1 fungiert als Transportkanal durch die Zellmembran. Ist der Kanal aktiv, strömen Chloridionen aus der Schließzelle heraus und Kaliumionen folgen. Dadurch erschlafft die Zelle und das Stoma schließt sich innerhalb von 15 Minuten. „Der Lichtpuls ist wie eine Fernbedienung für die Bewegung der Stomata”, erläutert Biophysiker Rainer Hedrich von der Universität Würzburg.

Schalter umgeht gewöhnliche Regulation

Der Clou dabei: Auf diese Weise blieb der natürliche Regulationsprozess der Stomata komplett außen vor und das Team konnte belegen, dass allein die Aktivierung des Proteins ACR1 dafür sorgt, dass sich die Stomata schließen. Gelingt es nun, Pflanzen zu züchten, deren Schließzellen eine besonders große Anzahl ACR1-Kanäle besitzen, würden diese Pflanzen ihre Poren bei Trockenheit schneller schließen und weniger Wasser verlieren.

Darüber hinaus freuen die Forschenden sich über einen weiteren Nutzen der Methode: „Unser neues optogenetisches Werkzeug hat enormes Potenzial für die Forschung“, urteilt Hedrich. „Mit ihm können wir neue Einsichten gewinnen, wie Pflanzen ihren Wasserverbrauch regulieren und wie die Fixierung von Kohlendioxid und die Bewegungen der Stomata gekoppelt sind.“

bl