Wie Pflanzen sich vor Stress und Sonnenbrand schützen

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E.Sonnenbrand ist unangenehm und schmerzhaft, nicht nur für Menschen. Pflanzen können dieses Schicksal auch erleiden. Gleichzeitig sind grüne Pflanzen auf ausreichend Sonnenlicht angewiesen, um die Photosynthese durchzuführen und Energie zu erzeugen. Aber zu viel Licht schädigt das Laub in Form von Sonnenbrand und Stress; Sie führen zu Dehydration, Wachstumsstillstand und Zelltod.

Pflanzen geben überschüssiges Licht in Form von Wärme ab, um sich vor Sonnenbrand zu schützen. Eine verbreitete Hypothese ist, dass Chlorophyll, das Blattgrün, überschüssige Energie auf Carotinoide überträgt – ein weiterer Farbstoff im sogenannten Lichtsammelkomplex der Chloroplastenmembran. Um die überschüssige Energie, die als Wärme auf sie übertragen wird, loszuwerden, vibrieren die Carotinoide. In gewissem Sinne wirken sie als Kühlsystem in der Membran der Chloroplasten. Carotinoide sind auch Radikalfänger, die auch Zellen schädigen können. Radikale sind sehr reaktive Moleküle oder Atome, die durch überschüssige Energie entstehen und andere Moleküle im Pflanzengewebe schädigen.

Bisher konnte eine ähnliche Hypothese der Energieübertragung nur für bestimmte Bakterien bewiesen werden. Die Energieübertragung in den pflanzlichen Chloroplasten erfolgt in extrem kurzer Zeit, und es gibt auch große Energiesprünge. Bisher konnte beides mit herkömmlichen Messgeräten nicht erfasst werden.

So steigern Sie die Ernteerträge

Im Jahr 2017 entwickelten Gabriela Schlau-Cohen vom Massachusetts Institute of Technology und ihr Team eine Femtosekunden-Spektroskopietechnik, mit der über einen sehr kurzen Zeitraum ein breites Energieniveau von rotem bis blauem Licht beobachtet werden kann. Ihrer Forschungsgruppe ist es nun gelungen, die Schwingungshypothese zu bestätigen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in „Nature Communications“.

Der Einfluss benachbarter Membranproteine ​​auf den Lichtsammelkomplex in lebenden Pflanzen konnte lange Zeit nicht unterschieden werden. Schlau-Cohen und ihr Team überwinden dieses Hindernis mit einer naturnahen künstlichen Membran, einer sogenannten Nanoplatte. Es wurde deutlich, dass der Energietransfer innerhalb des Lichtsammelkomplexes in dieser künstlichen Membran signifikant schneller war als beispielsweise in einer Seifenlösung. Dies machte den Wissenschaftlern klar, dass die lokalen Umweltbedingungen eine entscheidende Rolle beim Schutz vor zu viel Sonnenlicht spielen. Mit diesem Wissen wollen sie nun daran arbeiten, die Ernteerträge zu steigern.

Forschungsergebnisse der University of Illinois, veröffentlicht in „Science“, zeigten 2016, dass es möglich ist, Erträge von Tabakpflanzen zu ernten (Nicotiana tabacum) um 15 bis 20 Prozent, wenn Sie sicherstellen, dass drei an der Photosynthese beteiligte Proteine ​​in den Pflanzen überproduziert werden. „Wenn wir die Mechanismen des Sonnenschutzes verstehen, können wir das System wirklich optimieren und theoretisch einen um 30 Prozent höheren Maximalertrag erzielen“, sagt Schlau-Cohen.

Proteine ​​schützen Pflanzenzellen

Die freien Radikale, die durch zu viel Sonnenlicht aus Sauerstoff in Pflanzen entstehen, schädigen nicht nur das Pflanzengewebe direkt, sondern belasten auch die Chloroplasten. Singulettsauerstoff ist ein Radikal, das besonders reaktiv ist und in Pflanzen eine Stressreaktion auslösen kann. Solch ein Stress kann dazu führen, dass Pflanzen nicht mehr wachsen und sogar zum programmierten Zelltod führen. Biologen unter der Leitung von Tatjana Kleine von der Ludwig-Maximilians-Universität in München entdeckten kürzlich in einer Studie, vveröffentlicht in den „Proceedings“ der American National Academy of Sciences, einem wichtigen Signalweg für Stresstoleranz.

Kleine und ihre Kollegen fanden in den Chloroplasten der Modellpflanze Talkresse (Arabidopsis thaliana) ein Protein, SAFE11, das die Übertragung von Stresssignalen auf die Membransysteme der Chloroplasten unterdrückt, so dass keine Zellen beschädigt werden. Mit diesem Protein können sich Pflanzen vor diesem schädlichen reaktiven Sauerstoff schützen. Die Wissenschaftler sehen eine Möglichkeit, Pflanzen zu produzieren, die widerstandsfähiger gegen Stress sind: „Es ist möglich, dass das Protein in den Pflanzen in größerer Anzahl synthetisiert wird, und hoffen, dass sie mehr Singulettsauerstoff tolerieren, der durch übermäßiges Sonnenlicht verursacht wird“, sagt Kleine.

Die Wissenschaftler sehen in der Gentechnik eine geeignete Methode zur Steigerung der Ernteerträge von Pflanzen. Sie sollen gentechnisch verändert werden, um photosynthetisch aktiver zu sein, mehr Energie zu gewinnen und letztendlich Biomasse zu produzieren. Sie sollten nicht durch übermäßiges Sonnenlicht beschädigt werden. weder durch Stress noch durch Sonnenbrand.