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Forschung & Technik
23.02.2016

Proteinveränderung gegen Trockenstress

Trockenheit führt immer wieder zu großen Ertragseinbußen, wenn nicht bewässert werden kann. Daher ist die Trockenstresstoleranz eine große Herausforderung in der Kulturpflanzenzüchtung. Foto: Angelika Sontheimer

Mehr Resistenz gegen Trockenheit

Trockenheit gehört zu den größten Stressfaktoren in der Landwirtschaft und kostet jährlich viele Millionen Tonnen Ertrag. Trockenstresstolerante Pflanzen können also helfen, die Welternährung besser abzusichern. Pflanzenforscher verschiedener Fakultäten entdeckten jüngst eine Proteinveränderung, die zu einer besseren Resistenz gegen Trockenheit führt.

Proteine sind lebenswichtige Stoffe für Pflanzen, Tiere und den Menschen. Sie erhalten nach ihrem Zusammenbau oft zusätzliche chemische Modifikationen. Denn erst durch das Anknüpfen von Fettsäuren, Zuckern, Phosphatgruppen und anderen chemischen Gruppen erhalten Proteine ihre eigentliche Struktur und Funktion im Organismus. Eine häufige Modifikation ist die sogenannte N-terminale Acetylierung (NTA). Dabei wird eine kleine chemische Gruppe wie z. B. Essigsäure oder ein Acetyl-Rest durch das Enzym NatA an das Protein angefügt. Die genaue Funktion dieser Modifikation war jedoch bislang unklar. Pflanzenforscher am Centre for Organismal Studies an der Uni Heidelberg, am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und am Zentrum für medizinische Forschung in Mannheim gingen dieser Frage mithilfe der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellpflanze nach. Sie beobachteten das Proteom, die Gesamtheit aller Proteine, und brachten die NTA in Zusammenhang mit der Resistenz gegen Trockenheit.

Wenig NatA, mehr Wasser in den Blättern, höhere Stresstoleranz

Pflanzen mit sehr wenig NatA wiesen eine verstärkte Trockenheitstoleranz auf. Im Vergleich zu unveränderten Wildtypen ist ihr Wurzel-Spross-Verhältnis größer und die Wurzeln besitzen weniger Seitenwurzeln. Das verbessert die Aufnahmekapazität von Wasser. Aber nicht nur im Wuchs, sondern auch in der Physiologie sind diese Pflanzen besser gegen Dürre gewappnet. Die Spaltöffnungen sind weitgehend geschlossen, wie die Wissenschaftler bei mikroskopischen Untersuchungen feststellten. Dies vermindert die Wasserverluste in Form von Wasserdampf. Weniger NatA, und daher weniger NTA-Protein-Veränderung, führte somit zu einem erhöhten Wassergehalt in den Blättern der Ackerschmalwand und zu mehr Stresstoleranz – sogar ohne Wassermangel.

Die Wissenschaftler verfeinerten ihre Forschungen und untersuchten die Zusammenhänge zwischen dem Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) und NatA. Das Pflanzenhormon sorgt dafür, dass bei Dürre die Aufnahmekapazität von Wasser erhöht ist und Wasserverluste vermindert werden. Es zeigte sich, dass Abscisinsäure zu weniger NatA-Protein und daher zu weniger NTA-Proteinacetylierung führt. Die Umsetzung dieser Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung ist für den Pflanzenanbau von erheblicher Bedeutung. Dank geeigneter Mutanten, die weniger NatA Protein aufweisen, können die Pflanzenzüchter zukünftig gezielt nach solchen Veränderungen in Kulturpflanzen suchen, um die Erträge auch unter Wassermangel zu steigern.

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