Münster. Ein Forschungsteam der Universität Münster hat einen bislang unbekannten Mechanismus entdeckt, der die Reaktion von Pflanzen auf salzhaltige Böden beeinflusst. Die Pflanzenforschung in Münster liefert damit neue Hinweise darauf, wie Nutzpflanzen künftig besser an Salzstress und Trockenheit angepasst werden könnten.
Steigende Temperaturen und künstliche Bewässerung führen weltweit dazu, dass sich mehr Salze in Böden anreichern. Für viele Nutzpflanzen ist das problematisch, weil ihr Wasserhaushalt gestört wird. Bei starkem Salzstress wachsen sie langsamer oder sterben vollständig ab. Die neue Studie zeigt nun, welche chemische Markierung an bestimmten Proteinen im Erbgut an dieser Anpassung beteiligt ist. Wie die Universität Münster mitteilt, arbeiteten Wissenschaftler aus Münster dabei mit dem japanischen RIKEN-Forschungsinstitut zusammen.
Im Mittelpunkt der Untersuchung stand die Ackerschmalwand, die in der Pflanzenforschung häufig als Modellorganismus eingesetzt wird. Das Team untersuchte in Laborversuchen den sogenannten Histon-Code, der beeinflusst, welche Bereiche der Erbinformation in einer Zelle genutzt werden. Histone sind Eiweiße, an denen die DNA organisiert ist. Sie enthalten selbst keine genetischen Baupläne, können aber steuern, wie stark einzelne Gene abgelesen werden.
Entscheidend sind dabei chemische Veränderungen an den Histonen. Solche Markierungen verändern die Wechselwirkung zwischen Histonen, DNA und weiteren regulatorischen Proteinen. Dadurch kann eine Pflanze bestimmte Gene stärker oder schwächer aktivieren. Das Forschungsteam fand eine bislang nicht beschriebene Markierung, die für die Reaktion auf Salzstress eine wesentliche Rolle spielt.
Diese Entdeckung ist vor allem deshalb relevant, weil Salzbelastung für die Landwirtschaft weltweit an Bedeutung gewinnt. Viele Kulturpflanzen gehören zu den sogenannten Glykophyten und reagieren empfindlich auf erhöhte Salzkonzentrationen. Nur bestimmte Pflanzenarten aus Küstengebieten verfügen von Natur aus über ausgeprägte Schutzmechanismen. Allerdings können auch empfindliche Arten ihre Reaktion auf Trockenheit und Salz in einem begrenzten Umfang anpassen.
Die Ergebnisse liefern deshalb einen neuen Ansatzpunkt für weitere Forschung. Bevor daraus robustere Sorten entstehen können, müssen jedoch die beteiligten Prozesse genauer verstanden werden. Die Studie beschreibt zunächst einen molekularen Mechanismus und keine unmittelbar einsetzbare Züchtungsmethode.
Eine zentrale Rolle spielt das Enzym HDA19. Es ist an der Entwicklung, am Stoffwechsel und an Stressreaktionen von Pflanzen beteiligt. Das Team konnte zeigen, dass HDA19 die neu entdeckte Histon-Markierung entfernt. Dadurch beeinflusst das Enzym, wie stark die Ackerschmalwand auf salzhaltige Bedingungen reagiert.
Pflanzen ohne dieses Enzym zeigten im Versuch eine höhere Salztoleranz. Gleichzeitig bildeten sie mehr sogenannte LEA-Proteine. Diese Eiweiße kommen auch in trockenen Samen vor und unterstützen Zellen bei der Anpassung an Wassermangel. Der Befund zeigt deshalb eine Verbindung zwischen Salzstress und bekannten Schutzmechanismen gegen Trockenheit.
Die größere Widerstandsfähigkeit hatte jedoch Nachteile. Pflanzen ohne HDA19 wuchsen langsamer und produzierten weniger Samen. Damit wird deutlich, dass eine höhere Salztoleranz nicht automatisch zu besseren Erträgen führt. Für die Landwirtschaft ist dieser Zielkonflikt besonders wichtig, weil robuste Pflanzen zugleich ausreichend wachsen und wirtschaftlich nutzbare Erträge liefern müssen.
Für die Analyse setzte das Forschungsteam molekulargenetische Verfahren und hochauflösende Massenspektrometrie ein. So konnten die Wissenschaftler weitere Proteine identifizieren, die durch HDA19 reguliert werden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „PNAS“ veröffentlicht.
An der Studie waren die Arbeitsgruppen von Prof. Iris Finkemeier an der Universität Münster und Prof. Motoaki Seki am RIKEN-Institut beteiligt. Finanziert wurde die Arbeit unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie mehreren japanischen Forschungsinstitutionen und Ministerien. Damit stärkt die Untersuchung zugleich die internationale Zusammenarbeit in der Pflanzenbiologie.
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