Wie eine fast tote Pflanze wieder aufersteht!

An der pflanzlichen „Auferstehung“ sind viele Gene beteiligt

Manche Pflanzen können Monate ohne Wasser überleben, um dann nach einem kurzen Regenguss wieder zu ergrünen. Eine aktuelle Studie zeigt, dass dafür kein „Wunder-Gen“ verantwortlich ist, sondern vielmehr ein ganzes Netzwerk von Erbanlagen.

Ein Wissenschaftlerteam der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn hat für die Studie eine Art unter die Lupe genommen, die dort schon lange untersucht wird – die Wiederauferstehungs-Pflanze Craterostigma plantagineum. Sie trägt ihren Namen völlig zu Recht: In Dürrezeiten könnte man sie für tot halten. Dennoch genügt nach Monaten der Trockenheit etwas Wasser, um sie wieder aufleben zu lassen. „Wir untersuchen seit vielen Jahren, wie die Pflanze das macht“, erklärt Professor Dr. Dorothea Bartels vom Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO) an der Universität Bonn.

Unter anderem interessieren sich die Forscher für die Erbanlagen, die für die Dürre-Toleranz verantwortlich sind. Immer mehr kristallisiert sich dabei heraus, dass dafür nicht ein einziges „Wunder-Gen“ zuständig ist, sondern sehr viele Erbanlagen, von denen die allermeisten auch in Arten vorkommen, die nicht so gut mit Trockenheit zurechtkommen.

Von jedem Chromosom acht Exemplare

In der aktuellen Untersuchung, deren Ergebnisse bereits online in der Zeitschrift „The Plant Journal“ veröffentlicht wurden, hat das Team zusammen mit Forschenden der Universität Michigan (USA) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf das komplette Genom von Craterostigma plantagineum analysiert. Das ist ziemlich komplex aufgebaut: Während die meisten Tiere, und auch wir Menschen, von jedem Chromosom zwei Exemplare haben – eines von der Mutter, eines vom Vater –, sind es bei Craterostigma gleich acht. Ein solches achtfaches Genom nennt man oktoploid.

„Eine solche Vervielfachung der genetischen Information lässt sich bei vielen Pflanzen beobachten, die sich unter Extrembedingungen entwickelt haben“, sagt Bartels.

Als Grund wird vermutet: Liegt ein Gen in acht Kopien vor statt in zwei, lässt es sich im Prinzip viermal so schnell ablesen. So lassen sich schnell große Mengen eines benötigten Proteins produzieren. Diese Fähigkeit scheint auch für die Entwicklung der Dürre-Toleranz von Bedeutung zu sein.

In der untersuchten Pflanze sind einige Erbanlagen, die mit der größeren Unempfindlichkeit gegen Trockenheit einhergehen, sogar noch weiter vervielfältigt. Dazu zählen etwa die sogenannten ELIPs – „early light inducable proteins“ – die durch Licht rasch angeschaltet werden und vor oxidativem Stress schützen. Sie kommen in allen dürreresistenten Arten in hoher Kopienzahl vor. „In Craterostigma gibt es knapp 200 ELIP-Gene, die nahezu identisch sind und die in großen Clustern zu zehn oder 20 Exemplaren auf verschiedenen Chromosomen liegen“, erklärt Bartels. Trockenresistente Pflanzen können also vermutlich auf ein umfangreiches Netzwerk von Erbanlagen zurückgreifen, die sie im Fall einer Trockenheit rasch hochregulieren können.

Solche Arten, die empfindlich auf Trockenheit reagieren, verfügen meist über dieselben Gene – wenn auch in geringerer Kopienzahl. Das ist auch nicht weiter verwunderlich, sind doch Samen und Pollen der meisten Pflanzen oft noch nach langen Phasen ohne Wasser keimfähig – müssen also auch über ein genetisches Programm zum Schutz vor Dürre verfügen. „Dieses Programm wird aber normalerweise bei der Keimung abgeschaltet und lässt sich danach nicht mehr reaktivieren“, erklärt die Botanikerin. „In Wiederauferstehungs-Pflanzen bleibt es dagegen aktiv.“

Die meisten Arten „können“ Dürre-Toleranz

Dürre-Toleranz ist also etwas, was die allermeisten Pflanzen „können“. Die Gene, die diese Fähigkeit vermitteln, sind vermutlich sehr früh im Laufe der Evolution entstanden. Jedoch sind diese Netzwerke in Trockenheitsresistenten Arten leistungsfähiger und über den gesamten Lebenszyklus aktiv. Allerdings verfügt auch in Craterostigma plantagineum nicht jede Zelle über dasselbe „Dürreprogramm“, wie Wissenschaftler der Universität Düsseldorf zeigen konnten, die ebenfalls an der Studie beteiligt waren. So sind in ihren Wurzeln bei Austrocknung andere Gene des Dürre-Netzwerks aktiv als in den Blättern.

Unerwartet ist dieser Befund nicht, müssen sich Blätter doch gegen die schädigende Wirkung der Sonne schützen. Dabei helfen ihnen zum Beispiel die ELIPs: Bei genügend Feuchtigkeit bildet die Pflanze Photosynthese-Pigmente, die die Strahlung zumindest zum Teil absorbieren. Bei Dürre fällt dieser natürliche Schutz weitgehend aus. Wurzeln müssen dagegen keine Angst vor einem Sonnenbrand haben. Die Studie verbessert das Verständnis für die Frage, warum manche Arten so wenig unter Dürre leiden. Langfristig könnte sie daher zur Züchtung von Nutzpflanzen wie Weizen oder Mais beitragen, die mit Trockenheit besser zurechtkommen. In Zeiten des Klimawandels dürften diese in Zukunft gefragter sein denn je.

Quelle IVA:(https://www.iva.de/iva-magazin/forschung-technik/ein-netzwerk-fuer-die-wiederauferstehungspflanze)