Forscher entdecken Kohlendioxidsensor bei Pflanzen, der hilft, Flüssigkeitsverluste zu verhindern
Wissenschaftler haben entdeckt, wie sie Pflanzen fit für eine Zukunft mit einem höheren Kohlendioxid-Gehalt in der Luft machen können: Werden bestimmte Sensor-Proteine in den Blättern optimiert, reagieren die Pflanzen sensibler auf CO2. Dadurch müssen sie die winzigen Atemöffnungen in ihren Blättern nicht ganz so weit öffnen – mit der Folge, dass gleichzeitig auch weniger Wasser verdunstet. Vor allem in trockenen Gegenden könnten derartig veränderte Pflanzen viele Vorteile bringen, glauben die Forscher. Für die Pflanzen ist der Wassersparmodus allerdings mit einem Problem verbunden: Ähnlich wie ein Mensch, der plötzlich weniger schwitzt, können sie ihre Temperatur nicht mehr so effektiv senken – und das kann in sehr heißen Gegenden durchaus zum Problem werden. Über ihre Entdeckung berichtet das Team um Julian Schroeder von der Universität von Kalifornien in San Francisco.

Durch mikroskopische Spaltöffnungen, gebildet aus zwei länglichen Zellen auf der Blattoberfläche, findet der Gasaustausch der Pflanze statt. Dort nehmen Pflanzen Kohlendioxid auf und geben Sauerstoff ab. Als Nebeneffekt verliert die Pflanze allerdings hunderte Wassermoleküle, um ein einziges Kohlenstoffdioxidmolekül aufzunehmen. Bei einer erhöhten Konzentration von Kohlendioxid schließen sich diese Öffnungen jedoch etwas – es kann immer noch ausreichend CO2 aufgenommen werden, und der Wasserverlust verringert sich gleichzeitig. Die Forscher um Schroeder haben nun herausgefunden, dass ein bestimmtes Enzym, eine Carboanhydrase, als eine Art Torwächter fungiert und dieses Schließen abhängig von der Kohlendioxidkonzentration auslöst. Carboanhydrasen sind Biokatalysatoren, die unter anderem auch bei der Fotosynthese eine Rolle spielen.

Allerdings reagieren die Torwächter bei vielen Pflanzen eher träge. Die Folge ist ein unnötiger Wasserverlust, der in der Landwirtschaft zu hohen Mehrkosten führen kann. Um nun zu testen, ob es möglich ist, die Effizient der Schließenzyme zu erhöhen, veränderten Schroeder und seine Kollegen das Erbgut der Acker-Schmalwand Arabidopsis thaliana, einer Pflanze, die bei Genetikern sehr beliebt ist. Exemplare ohne funktionierende Carboanhydrase-Gene reagieren überhaupt nicht auf einen CO2-Anstieg, konnten die Forscher zeigen. Werden sie jedoch mit überdurchschnittlichen vielen Kopien der Gene ausgestattet, steigt ihre Sensitivität deutlich an: Sie verlor in der Folge 44 Prozent weniger Wasser als ihre genetisch unveränderten Artgenossen. Die Fotosynthese wurde durch die Sensibilisierung der Pflanze nicht beeinträchtigt.

In trockenen Gegenden ist es vorteilhaft, wassersparende Pflanzen anzubauen, erläutern die Forscher. Derzeit werden beispielsweise für die Bewässerung von Nutzpflanzen im US-Bundesstaat Kalifornien 79 Prozent des gesamten, aus umgeleiteten Flüssen und dem Hochpumpen von Grundwasser stammenden Wassers benötigt. Man müsse allerdings aufpassen und die größere Überhitzungsgefahr ebenfalls berücksichtigen, geben die Wissenschaftler zu bedenken.
Julian Schroeder (Universität von Kalifornien, San Francisco) et al.: Nature Cell Biology