Pflanzen ohne Durst

Angesichts steigender Temperaturen und häufigerer Dürren suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, Pflanzen dabei zu helfen, mit weniger Wasser auszukommen.

Einige tropische Bäume könnten bereits einen Teil der Lösung liefern.

Forschende der Universität Wien haben herausgefunden, wie bestimmte Clusia-Bäume eine ungewöhnliche Form der Photosynthese entwickelt haben. Sie können nachts Kohlendioxid aufnehmen und gleichzeitig tagsüber Wasser sparen.

Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, wie Millionen Jahre genetischer Veränderungen innerhalb einer Gruppe tropischer Bäume zu unterschiedlichen Strategien zur Wassereinsparung geführt haben.

Ein Rätsel der Photosynthese

Die meisten Pflanzen nehmen Kohlendioxid über winzige Öffnungen auf, die als Spaltöffnungen oder Stomata bezeichnet werden. Diese öffnen sich normalerweise tagsüber. Allerdings kann durch sie auch Wasser verdunsten.

Für Pflanzen, die unter trockenen Bedingungen wachsen, entsteht dadurch ein schwieriger Zielkonflikt: sie müssen genügend Kohlendioxid aufnehmen und gleichzeitig möglichst viel Feuchtigkeit bewahren.

Einige tropische Bäume lösen dieses Problem, indem sie ihre Spaltöffnungen nachts öffnen. Dann sind die Temperaturen in der Regel niedriger und es verdunstet weniger Wasser.

Das aufgenommene Kohlendioxid speichern sie in Form von Apfelsäure. Tagsüber geben sie es innerhalb der Pflanze wieder frei, um es für die Photosynthese zu nutzen. Dieser Prozess wird als Crassulaceen-Säurestoffwechsel oder kurz CAM bezeichnet.

Eine Entdeckung mit langer Geschichte

Das ungewöhnliche Verhalten von Clusia-Bäumen weckte bereits vor mehr als zwei Jahrhunderten das Interesse der Wissenschaft. Um das Jahr 1800 beobachtete der Naturforscher Alexander von Humboldt, dass ein unter Wasser getauchtes Blatt eines tropischen Baumes tagsüber nicht die erwarteten Sauerstoffbläschen freisetzte.

Heute wissen Wissenschaftler, dass CAM-Pflanzen ihre Spaltöffnungen tagsüber geschlossen halten und dennoch gespeichertes Kohlendioxid für die Photosynthese nutzen können.

Wie sich diese Fähigkeit im Laufe der Evolution bei verschiedenen Clusia-Arten genau entwickelt hat, war bislang jedoch unklar.

Drei Bäume, drei Strategien

Um dieser Frage nachzugehen, verglichen die Forschenden die Genome von drei Arten:

Clusia rosea, Clusia minor und Clusia major. Außerdem untersuchten sie unter nahezu natürlichen Gewächshausbedingungen, wie die Bäume auf eine veränderte Wasserverfügbarkeit reagierten. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede.

Clusia rosea nutzt eine ausgeprägte Form des CAM-Stoffwechsels und speichert nachts große Mengen Kohlendioxid. Clusia minor aktiviert diesen Prozess vor allem dann, wenn die Umweltbedingungen belastend werden.

Clusia major kombiniert dagegen die herkömmliche Kohlendioxidaufnahme am Tag mit dem CAM-Stoffwechsel. Dadurch verfügt der Baum über eine flexible Mischstrategie.

Diese Unterschiede zeigen, dass selbst eng verwandte Baumarten ganz unterschiedliche Anpassungen an Wassermangel entwickeln können.

Wie sich uralte Gene verändert haben

Die Forschenden stellten fest, dass bei allen drei Arten in der Vergangenheit Genomverdopplungen stattgefunden hatten. Dadurch verfügten ihre Vorfahren über zusätzliche Kopien ihres Erbguts.

Über Millionen Jahre hinweg wurden diese vergrößerten Genome umfassend umorganisiert. Einige der doppelten Gene gingen verloren, andere wurden inaktiv, während bestimmte Gene neue Funktionen entwickelten.

Der Erstautor Hannes Kramml erklärte, dass diese evolutionäre Neuordnung auch Gene beeinflusste, die an der nächtlichen Speicherung von Kohlendioxid beteiligt sind.

Der wissenschaftliche Leiter der Studie, Professor Wolfram Weckwerth, ergänzte, dass die weitreichenden Veränderungen der verdoppelten Genome erklären könnten, warum Clusia-Arten so unterschiedliche Strategien der Photosynthese entwickelt haben.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich der CAM-Stoffwechsel durch zahlreiche genetische Veränderungen entwickelte und nicht auf ein einziges, einfaches evolutionäres Ereignis zurückgeht.

Könnte das zukünftigen Nutzpflanzen helfen?

CAM-Pflanzen können Wasser effizienter nutzen als Pflanzen, die ausschließlich auf die herkömmliche Photosynthese angewiesen sind. Ein besseres Verständnis der beteiligten Gene und Stoffwechselprozesse könnte Forschern langfristig dabei helfen, Nutzpflanzen zu entwickeln, die besser an trockene Umgebungen angepasst sind.

Allerdings wären noch umfangreiche Forschungsarbeiten erforderlich, um diese komplexen Mechanismen auf landwirtschaftliche Pflanzen zu übertragen. Die Studie untersuchte tropische Bäume und testete keine gentechnisch veränderten Nutzpflanzen. Praktische Anwendungen in der Landwirtschaft bleiben daher eine langfristige Möglichkeit.

Was wir von der Natur lernen können

Die Ergebnisse zeigen, wie evolutionäre Flexibilität Pflanzen dabei helfen kann, sich an schwierige Umweltbedingungen anzupassen. Indem Wissenschaftler untersuchen, wie tropische Bäume Wasser sparen und gleichzeitig Photosynthese betreiben, könnten sie neue Ansätze entwickeln, um die Widerstandsfähigkeit landwirtschaftlicher Pflanzen zu verbessern.

Da der Klimawandel die globale Lebensmittelproduktion zunehmend unter Druck setzt, liefern diese bemerkenswerten Bäume wertvolle Hinweise darauf, wie Pflanzen überleben können, wenn Wasser knapp wird.