Geheimnisse der Pflanzensignale: Neue Erkenntnisse durch lichtgesteuerte Ionenkanäle enthüllt

BerlinWissenschaftler an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben eine neue Entdeckung gemacht, wie Pflanzen auf ihre Umwelt reagieren. Bisher konzentrierten sich Forscher hauptsächlich darauf, wie Veränderungen der Kalziumspiegel in Pflanzenzellen ihre Stressreaktionen beeinflussen. Jetzt haben sie herausgefunden, dass auch Änderungen der elektrischen Ladung über Zellmembranen eine entscheidende Rolle bei diesen Reaktionen spielen.

Um diese Beziehung zu erforschen, modifizierten Wissenschaftler Tabakpflanzen, damit sie spezielle Ionenkanäle namens Channelrhodopsine produzieren. Diese aus Algen und Mikroorganismen stammenden Kanäle konnten durch bestimmte Lichtarten aktiviert werden. Dadurch konnten die Wissenschaftler den Fluss von Calciumionen hinein und Anionen heraus steuern und die Signalprozesse besser verstehen.

Hauptresultate der Forschung:

• Sowohl Calcium-Einstrom als auch Membrandepolarisation spielen eine Rolle bei der Stressreaktion von Pflanzen.
• Der Ausstrom von Anionen, der zur Membrandepolarisation führt, leitet die Reaktion auf Dürre ein, indem er das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) produziert.
• Der Calcium-Einstrom hingegen aktiviert Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde und geht mit der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) einher.

Der Erfolg dieser Forschung basierte auf der Überwindung mehrerer technischer Herausforderungen:

1. Ermöglichung der Nutzung von Vitamin A, gewonnen aus Beta-Carotin in Pflanzen, durch Channelrhodopsine.
2. Anbau der Pflanzen unter rotem LED-Licht, um eine unbeabsichtigte Aktivierung der Rhodopsine zu verhindern.
3. Optimierung der Channelrhodopsine für selektive Calcium- und Anionendurchlässigkeit.

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Im Jahr 2021 wurden bedeutende Fortschritte erzielt, Pflanzenzellen dazu zu bringen, lichtaktivierte Kanäle mit hohem Retinalgehalt zu produzieren. Experimente zeigten, dass Pflanzen mit dem calciumleitenden Channelrhodopsin XXM 2.0 und dem lichtaktivierten Anionenkanal GtACR1 unter Stressbedingungen gut reagierten.

Die Ergebnisse weisen auf bedeutende Fortschritte in der Pflanzenbiologie hin. Die Erkenntnis dieser beiden Signalwege birgt großes Potenzial für die Landwirtschaft. Pflanzen könnten gentechnisch verändert werden, um Umwelt- und biologische Belastungen besser zu bewältigen. Dadurch würden Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen den Klimawandel und der Bedarf an chemischen Behandlungen könnte reduziert werden. Durch die Erklärung der pflanzlichen Ionensignalisierung ebnet die Studie den Weg für neue Forschungen, um die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Pflanzen zu verbessern.

Entdeckungen wie diese könnten uns dabei helfen, andere Pflanzenarten so zu verändern, dass sie besser mit unterschiedlichen Stressbedingungen umgehen können, was ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umgebungen verbessert. Wissenschaftler sind begeistert, diesen Bereich weiter zu erforschen, in der Hoffnung, ausführlichere Informationen über die Pflanzenbiologie zu finden, die zu praktischen Fortschritten in der Landwirtschaft führen könnten.