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Folgen des Klimawandels: Trockenere Böden erfordern neue, überlebensfähigere Pflanzenarten [09.12.14]
DFG-Forschungsprojekt an der Uni Hohenheim: Zuckerprozesse in Pflanzen geben Aufschluss über ihre Anpassungsfähigkeit an veränderte Lebensbedingungen
Leere Stauseen, vertrocknete Äcker und Waldbrände – in vielen Teilen der Erde gehören solche Bilder längst zum Alltag. Trockenheit ist, neben zunehmender Nährstoffarmut und übersäuerten Böden, eine der Herausforderungen in der Pflanzenforschung. Daher erforschen Wissenschaftler, wie sich die Pflanzen an diese veränderten Lebensbedingungen anpassen können. In einem ersten Schritt auf dem Weg dorthin widmet sich die Biologin Prof. Dr. Waltraud Schulze von der Universität Hohenheim in einem Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) dem Zuckerverarbeitungsprozess von Pflanzen: „Wir wollen herausfinden, wie Pflanzen mit einer Veränderung ihres Zuckeranteils umgehen“, erläutert Prof. Dr. Schulze. Mit diesem Wissen um entscheidende Details des Innenlebens von Pflanzen – genauer: deren molekularen Prozesse – könnten dann langfristig die Pflanzen gezüchtet werden, die sich den neuen Umweltbedingungen anpassen. Das im Oktober 2014 gestartete Projekt wird von der DFG mit 294 000 Euro gefördert. Dies macht es zu einem der Schwergewichte der Forschung an der Universität Hohenheim.
Arabidopsis in der Versuchsanordnung. Bild: Universität Hohenheim
Zucker entsteht auf natürlichem Weg in Pflanzen. Aus dem Wasser, das die Pflanzen aus dem Boden aufnehmen, und dem Kohlendioxid der Luft wird unter Einwirkung der Energie des Sonnenlichts und mit Hilfe des Blattgrüns (Chlorophyll) Zucker gebildet. Dabei entsteht als Nebenprodukt Sauerstoff, der an die Luft zurückgegeben wird.
Diesen Prozess nennt man „Fotosynthese“. Dabei werden die anorganischen Stoffe Wasser und Kohlendioxid in die organische Substanz Zucker umgewandelt. Dieser Prozess ist allgemein bekannt. „Weniger erforscht dagegen sind die molekularen Prozesse, die den Nährstoffhaushalt der Pflanze regulieren und den in den Blättern gebildeten Zucker mit den aus dem Boden aufgenommenen Nährstoffen in Einklang bringen“, erläutert Prof. Dr. Schulze.
Diese Regulationsprozesse erlauben den Pflanzen auch bei Nährstoffmangel wachsen und gedeihen zu können. Prof. Dr. Schulze arbeitet mit einer Doktorandin und einem wissenschaftlichen Mitarbeiter in dem von der DFG finanzierten Projekt daran, die Beteiligung von Membranrezeptoren an diesen Anpassungsprozess zu verstehen. Bis 2017 sollen erste Ergebnisse vorliegen.
Unkraut Arabidopsis als Versuchspflanze
Derzeit arbeiten die Wissenschaftler vor allem mit der Pflanze Arabidopsis, zu Deutsch Ackerschmalwand. Diese, vielen als Unkraut bekannte, Pflanze wächst schnell und lässt sich im Labor einfach kultivieren und war die erste Pflanze, deren Genom entschlüsselt wurde. Deshalb wird sie häufig als Modellpflanze genutzt.
Nährstoffarmut der Böden sowie Trockenheit können dazu führen, dass der Nährstoffhaushalt von Pflanzen reguliert werden muss, um deren Überleben zu sichern: „Dazu könnte die Düngung mit Nährstoffen entsprechend angepasst werden oder neue, besonders nährstoffeffiziente, Pflanzen gezüchtet werden. Für beides lassen sich die Erkenntnisse aus unserer Forschung anwenden“, sagt Prof. Dr. Schulze.
Um weitere Kenntnisse über die Regulation von Zucker- und Nährstoffhaushalt der Pflanzen zu erhalten, extrahieren die Wissenschaftler Proteine aus der Pflanze, die diese unter „Stress“ – also unter Nährstoffmangel – gebildet hat. „Mit Hilfe eines Massenspektrometers können wir die Proteine in der Probe analysieren. Uns interessieren dabei vor allem Veränderungen in Proteinmenge und regulatorischen Modifikationen, die die Aktivität, beispielsweise von Rezeptoren, Transportern oder Stoffwechselenzymen beeinflussen“, sagt Prof. Dr. Schulze. „Schließlich ziehen wir Schlussfolgerungen daraus, welche Proteine ihren Aktivitätszustand bei Stress ändern und wie schnell sie das tun.“
Hintergrund: Schwergewichte der Forschung
Rund 32,8 Millionen Euro an Drittmitteln akquirierten Wissenschaftler der Universität Hohenheim im vergangenen Jahr für Forschung und Lehre. In loser Folge präsentiert die Reihe „Schwergewichte der Forschung“ herausragende Forschungsprojekte mit einem Drittmittelvolumen von mindestens 250.000 Euro bei den Experimental- bzw. 125.000 Euro bei den Sozial- und Gesellschaftswissenschaften.
Text: Schmid
Kontakt für Medien:
Prof. Dr. Waltraud Schulze, Universität Hohenheim, Fachgebiet Systembiologie der Pflanze
Tel.: 0711 459-24770, E-Mail: wschulze@uni-hohenheim.de
