Dürreresistente Pflanze verspricht zukünftige Nahrungsmittelproduktion, so eine Studie
Zum ersten Mal haben Forscher an einer intakten Pflanze einen lange umstrittenen Prozess nachgewiesen, der es einigen Pflanzen ermöglicht, sich von einer längeren Trockenheit zu erholen. Das Team aus Wissenschaftlern der Colorado State University, der University of Colorado und des US-Landwirtschaftsministeriums ist der Ansicht, dass das Verständnis dieser besonderen Eigenschaft die landwirtschaftliche Produktivität und die Ernährungssicherheit verbessern könnte.
Sean Gleason, Wissenschaftler des USDA Agricultural Research Service, verwendet einen Mikro-CT-Scanner in einem Labor der Colorado State University zur Untersuchung von Pflanzen. Mit dem Gerät können Gleason und seine Mitarbeiter an der CSU die internen Prozesse der Pflanzen zerstörungsfrei betrachten
John Eisele/Colorado State University
Dürre kostet die Vereinigten Staaten Milliarden an landwirtschaftlichen Verlusten und erhöhtem Bewässerungsaufwand. Der Produktivitätsverlust verringert die Verfügbarkeit von Lebensmitteln und erhöht die Verbraucherpreise.
Wenn eine Pflanze austrocknet, wird ihr Wassertransportsystem durch die Bildung von Gasblasen oder Embolien in den wasserführenden Geweben der Pflanze - dem Xylem - beeinträchtigt. Je nach Ausmaß der Embolie erholen sich manche Pflanzen nie wieder.
Um sich zu erholen, müssen die Gasblasen entfernt und der Wasserfluss durch einen Prozess wiederhergestellt werden, der "Refilling" genannt wird. Pflanzenwissenschaftler sind sich uneinig darüber, ob eine Wiederauffüllung stattfindet. Die meisten Beweise für die Wiederauffüllung beruhen auf zerstörenden Untersuchungsmethoden, bei denen eine Pflanze aufgeschnitten und Wasser mit einem höheren Druck als in der Natur in das Gewebe gepresst wird.
Die Forscher der CSU, der CU und des USDA erklärten, dass das Aufschneiden von Pflanzen "Artefakte" oder Nebenprodukte der Untersuchungsmethode erzeugt, die in diesem Fall Embolien verursachen und zu ungenauen Ergebnissen führen könnten. Stattdessen verwendeten sie einen Mikro-CT-Scanner, ein spezielles Röntgengerät, um interne Pflanzenprozesse so zu beobachten, wie sie in der Natur ablaufen.
Ihre Studie, die auf der Titelseite der Aprilausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, ergab eine vollständige Umkehrung der Embolie und eine vollständige Erholung bei einer Wildgrasart innerhalb von 24 Stunden nach der Bewässerung.
"Dies ist der erste überzeugende Beweis für die Umkehrung oder Wiederauffüllung einer Embolie in einer Gefäßpflanzenart, wobei die Pflanze danach wieder voll funktionsfähig ist", sagte Sean Gleason, ein Forscher des USDA Agricultural Research Service, CSU-Mitglied und Mitautor der Studie.
Die Forscher haben begonnen, nach anderen Pflanzen mit dieser Eigenschaft zu suchen, um den genetischen Mechanismus dahinter zu identifizieren. Sobald der Mechanismus identifiziert ist, könnte er möglicherweise in Nutzpflanzen gezüchtet werden, um sie widerstandsfähiger gegen Trockenheit zu machen.
"Wenn eine Pflanze sich schnell von einer Dürre erholen kann, indem sie ihre Speicher wieder auffüllt, dann könnte man einige Verluste in einem Dürrejahr wieder wettmachen", sagte Mitautor Troy Ocheltree, ein außerordentlicher Professor der CSU am Warner College of Natural Resources. "Wenn Pflanzen nachfüllen können, könnte dies Flexibilität bei der Menge und dem Zeitpunkt der Bewässerung ermöglichen, obwohl zusätzliche Arbeit erforderlich ist, um festzustellen, wie sich das Nachfüllen auf den Wasserverbrauch der Pflanzen auswirken würde.
Gegenstand der Zufallsstudie
Embolien treten bei allen Gefäßpflanzen auf, und frühere Studien haben gezeigt, dass Embolien bei einigen Pflanzen nicht rückgängig gemacht werden können, auch wenn sie nach der Wiederherstellung der Wasserversorgung mit verminderter Kapazität weiterarbeiten können.
Für diese Studie untersuchten der Hauptautor Jared Stewart, ein Postdoktorand der CSU, der CU und des USDA ARS, der damalige MS-Student Brendan Allen und die damalige Doktorandin Stephanie Polutchko ein Gras, das auf einem Parkplatz wuchs, um zu sehen, ob es ein guter Kandidat für ihr Experiment sein würde. Das Gras gedieh in den Ritzen des heißen, trockenen Asphalts, so dass sie davon ausgingen, dass es auch bei Trockenheit widerstandsfähig sein könnte.
Tatsächlich erholte sich das Wassertransportsystem des Grases buchstäblich über Nacht, obwohl es nach einem längeren Zeitraum ohne Wasser tot aussah und bis zu 88 % des Xylemgewebes embolisiert war.
Bislang ist dies die einzige Art, von der bekannt ist, dass sie sich wieder auffüllt, aber die Forscher glauben, dass es wahrscheinlich noch andere Arten mit dieser Eigenschaft gibt.
"Wir wissen nicht, wie verbreitet dies ist", sagte Ocheltree. "Aber die Tatsache, dass wir eine Pflanze auf dem Parkplatz gefunden haben, die nachfüllt, lässt mich vermuten, dass es wahrscheinlich noch andere gibt, die ebenfalls nachfüllen. Das verändert unsere Denkweise."
Wichtige Partnerschaft und Ausrüstung
Die Studie wurde durch eine Partnerschaft mit dem College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences der CSU ermöglicht, das über einen Mikro-CT-Scanner für Kleintiere verfügt. Dieses Spezialgerät gibt weniger Strahlung ab als die meisten CT-Scanner, so dass wiederholte Scans möglich sind, ohne die Probanden zu schädigen.
Gleason sagte, dass die Unterstützung des Laborpersonals und der leitenden Forscherin, Professorin Nicole Ehrhart, Leiterin des CSU-Zentrums für gesundes Altern und des Labors für vergleichende muskuloskelettale Onkologie und Traumatologie, für die Studie entscheidend war. Laura Chubb, eine Labortechnikerin, half dem Team, indem sie die Pflanzen anfangs scannte und Gleason dann in die Bedienung des Geräts einwies.
"Die Widerstandsfähigkeit dieses bescheidenen Grases, das sein Gefäßsystem über Nacht wiederbelebte, war sowohl überraschend als auch zutiefst beeindruckend", so Ehrhart. "Kooperationen wie diese erinnern uns daran, wie mächtig es sein kann, wenn für die biomedizinische Forschung entwickelte Werkzeuge auf neue Weise angewendet werden, um grundlegende Fragen des Lebens zu beantworten. Wir freuen uns sehr, einen Beitrag zu einer solch bedeutenden Wissenschaft leisten zu können."
"Dr. Ehrhart und Laura haben diese Studie durch ihr großzügiges Angebot ermöglicht, uns bei unseren Scans zu helfen und uns die Nutzung ihres Mikro-CT-Labors zu ermöglichen", sagte Gleason. "Ohne sie wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Forschung durchzuführen."
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