Forscher entschlüsseln Sukkulenten-Gen – es könnte Mais und Weizen vor Dürre retten

Wenn Felder austrocknen und Regen ausbleibt, zählt für Pflanzen jeder Tropfen. Deshalb ist eine Sukkulente jetzt so spannend. Bei Kalanchoë laxiflora haben Forscher ein Gen untersucht, das der Pflanze hilft, mit Wasser besonders sparsam umzugehen. Der entscheidende Vorteil steckt in winzigen Blattporen. Dort regelt die Pflanze den Austausch von Kohlendioxid und Wasser erstaunlich präzise. Eben dieser Mechanismus könnte später auch Nutzpflanzen helfen, Hitze und Dürre besser zu verkraften.

Ein Team der Uni Bern hat in einer aktuellen Studie genauer untersucht, wie diese Pflanze ihre Blattporen aufbaut, damit sie Kohlendioxid aufnehmen kann, ohne dabei unnötig viel Wasser zu verlieren. Für die Landwirtschaft ist das brisant, weil es nicht um einen allgemeinen Überlebenstrick geht. Es geht um einen konkreten genetischen Mechanismus, der künftig auch bei Kulturpflanzen wie Weizen, Mais oder Gemüse eine Rolle spielen könnte.

Die Blattporen arbeiten erstaunlich sparsam

Pflanzen brauchen Kohlendioxid, um Zucker aufzubauen. Dafür öffnen sie ihre Spaltöffnungen an der Blattoberfläche. Dabei verlieren sie aber auch Wasser. Bei Hitze wird dieses Problem besonders groß. Sukkulenten haben dafür eine raffinierte Lösung entwickelt. Sie öffnen ihre Spaltöffnungen vor allem nachts, wenn die Temperaturen niedriger sind und weniger Wasser verdunstet.

Bei Kalanchoë laxiflora besteht so eine Spaltöffnung nicht nur aus zwei Schließzellen, sondern zusätzlich aus drei besonderen Hilfszellen. Diese Zellen sitzen ringförmig um die Öffnung herum. Laut den Daten aus der Studie helfen sie offenbar dabei, die Bewegungen der Schließzellen besser zu steuern. Kaliumfärbungen deuten darauf hin, dass Kalium zwischen Hilfszellen und Schließzellen verschoben wird. Das spricht dafür, dass diese Zellen beim Öffnen und Schließen der Poren aktiv mitarbeiten.

Ein Gen treibt zusätzliche Zellteilungen an

Auffällig ist vor allem das Protein MUTE. In der gut erforschten Ackerschmalwand stoppt dieses Protein weitere asymmetrische Zellteilungen. Bei Kalanchoë laxiflora verhält es sich anders. Dort treiben die beiden Varianten KlaxMUTE1 und KlaxMUTE2 zusätzliche Teilungen an. Aus ihnen entstehen jene Hilfszellen, die den Spaltöffnungen ihre besondere Form geben.

Die Forscher konnten das mit mehreren Ansätzen absichern. Sie erzeugten Mutanten, verfolgten die Aktivität der Gene mit Reporterlinien und übersteuerten die Proteine experimentell. Dabei zeigte sich: Fehlen beide MUTE-Varianten, entstehen keine normalen Spaltöffnungen. Wird MUTE übermäßig aktiv, bilden sich sehr viele kleine, hilfszellähnliche Zellen. Das passt zu der Annahme, dass dieses Protein in der Sukkulente ein Teilungsprogramm anschiebt, das für die wassersparende Blattarchitektur gebraucht wird.

Das Sukkulenten-Gen macht Nutzpflanzen denkbar robuster

Besonders spannend ist der Vergleich mit Gräsern. Auch dort hilft MUTE bei der Bildung spezialisierter Zellen an den Spaltöffnungen. Obwohl Gräser und sukkulente Dickblattgewächse evolutionär weit auseinanderliegen, nutzen beide einen ähnlichen genetischen Hebel. Michael Raissig von der Uni Bern formuliert es so: „Die zentrale und unabhängig entwickelte Funktion des MUTE-Proteins macht es zu einem besonders vielversprechenden Ansatzpunkt, um die Spaltöffnungen von Nutzpflanzen so zu verändern, dass sie Trockenheit deutlich besser aushalten.“

Das ist noch keine fertige Lösung für den Acker. Weder Mais noch Weizen wurden in dieser Arbeit trockenheitsfest gemacht. Die Studie liefert aber einen Bauplan. Heike Lindner sagt: „Wenn wir diese Prozesse verstehen, könnten sukkulente Systeme in Nutzpflanzen etabliert werden.“ Und weiter: „Langfristig könnten so die Lektionen, die wir von Sukkulenten lernen, zu robusteren, an Trockenheit angepasste Sorten führen, die in der Zeit der Klimakrise einen wichtigen Beitrag zur globalen Ernährungssicherheit leisten und gleichzeitig helfen, Wasserressourcen zu schonen.“

Warum die Pflanze für Forscher so wertvoll ist

Für die Arbeit spielte nicht nur der gefundene Mechanismus eine Rolle, sondern auch die Pflanze selbst. Das Team etablierte Kalanchoë laxiflora erstmals als gut nutzbares Modellsystem. Die Forscher entschlüsselten ein diploides Genom mit 226 Megabasen und 27.768 Genen. Außerdem verkürzten sie den Lebenszyklus der Pflanze auf weniger als sechs Monate. Dadurch lassen sich genetische Veränderungen und Kreuzungen deutlich schneller untersuchen.

„Unter einem Modellsystem versteht man einen besonders gut untersuchbaren Beispielorganismus – in unserem Fall eine sukkulente Pflanze –, mit dem grundlegende Mechanismen entschlüsselt werden können, die sich auf andere Pflanzen, etwa landwirtschaftliche Pflanzen, übertragen lassen“, erklärt Xin Cheng den Vorteil. Gerade in trockeneren Jahren bekommt diese unscheinbare Pflanze damit eine neue Bedeutung. Sie könnte helfen, Kulturpflanzen so umzubauen, dass sie mit weniger Wasser auskommen und ihre Erträge trotzdem stabiler halten.

Kurz zusammengefasst:

• Bei der Sukkulente Kalanchoë laxiflora helfen besondere Hilfszellen an den Blattporen dabei, Kohlendioxid aufzunehmen und zugleich Wasser sparsamer zu nutzen.
• Das Protein MUTE steuert in dieser Pflanze zusätzliche Zellteilungen, aus denen diese Hilfszellen entstehen – darin liegt der wichtigste neue Befund der Studie.
• Für Mais, Weizen und andere Nutzpflanzen ist das noch keine fertige Lösung, aber ein konkreter Ansatz, um Sorten künftig besser an Hitze, Dürre und Wasserknappheit anzupassen.

Übrigens: Wie gut Pflanzen Trockenheit aushalten, entscheidet sich nicht nur im Erbgut, sondern auch in Echtzeit an winzigen Blattporen, die Kohlendioxid aufnehmen und Wasser entweichen lassen. Neue Messungen zeigen erstmals live, wie diese Stomata arbeiten – und warum schon kleinste Unterschiede über Stress oder Stabilität entscheiden. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild © Heike Lindner