Würzburg, Germany
April 26, 2018
Researchers from Würzburg have now found out why that is so. Their insight could help breed crops that are more resistant to drought.
Processes in a leaf pore (stoma) of grasses. When the leaves open and close, a shuttle service takes ions to and fro between guard cells and subsidiary cells.
Whether barley, wheat, maize or rice: The grass family includes all the major cereals. They are vital for feeding the world's population. Farmers produce 80 percent of all plant-based foods from grass crops. This success is due in part to the plants' ability to adjust more quickly to dry conditions and sustain lack of water better than other plants.
But why are grasses more tolerant to water scarcity? Can other food crops be bred for this property, too, to assure or boost agricultural yields in the future? This could be important in the face of a growing world population and climate change that will entail more periods of dry and hot weather.
The plant researchers Professor Rainer Hedrich, Professor Dietmar Geiger and Dr. Peter Ache from Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in Bavaria, Germany, are looking into these questions. They studied brewing barley to determine why grasses are more stress-tolerant and are therefore "better" crop plants than potatoes and the likes.
Two amino acids make the difference
The scientists discovered that this difference can be attributed to the protein SLAC1 of the guard cells. Just two amino acids, the building blocks that make up proteins, are responsible for the plant's drought tolerance. "We now want to find out whether this small difference can be harnessed to make potatoes, tomatoes or rapeseed more tolerant to stress as well," says Rainer Hedrich.
The new insights have been published in the prestigious journal "Current Biology" where Hedrich, Geiger and Ache describe how they pinpointed the tiny difference between grasses and other plants.
Ion transport is a key process
The JMU researchers began scrutinising microscopically small leaf pores called stomata. These openings admit carbon dioxide for photosynthesis into the plant. But they also serve as outlets for water. To prevent losing too much water through evaporation, land plants have learned during evolution to actively open and close their stomata using special guard cells. Membrane proteins such as SLAC1 play a key role in this regulatory process: acting like channels, they guide ions into and out of the cells.
Hedrich is convinced that a basic understanding of the molecular goings-on during ion transport through the plasma membrane of the guard cells is the key to improving the drought tolerance and yields of agricultural crop plants.
Ion shuttles make leaf pores more efficient
The stomata of grasses have a special feature: The pore is bordered by two pairs of cells where other plants only have a single cell pair. Grass cereals boast two dumbbell-shaped guard cells that form and regulate the pore. Additionally, they are flanked by two subsidiary cells.
The JMU researchers have demonstrated that the subsidiary cells absorb and store the potassium and chloride from the guard cells when the pore closes. When the stoma opens, they pass the ions back to the guard cells. "Our cereals use the subsidiary cells as a dynamic reservoir for osmotically active ions. This ion shuttle service between guard cell and subsidiary cell allows the plant to regulate the pores particularly efficiently and quickly," Dietmar Geiger explains.
Two measuring systems for more drought resistance
There is a second mechanism that makes grasses more tolerant to dry conditions. When water is scarce, plants produce the stress hormone ABA (abscisic acid). Inside the guard cells, it activates the ion channels of the SLAC1 family, thereby initiating the closing of the stomata to prevent the plant from withering within a matter of minutes.
"Interestingly, we found that nitrate must be present in brewing barley and other grass cereals in addition to ABA to enable the pore to close," Peter Ache says. The nitrate concentration allows the barley to measure the shape the photosynthesis is in. If it works smoothly, nitrate levels are low.
Barley hence relies on two measuring systems: It uses ABA to register water availability and nitrate to assess photosynthesis performance. "By combining the two, the barley is better able than other plants to negotiate between the extremes of 'dying of hunger' and 'dying of thirst' when facing water scarcity," Rainer Hedrich explains
Testing the nitrate sensor in other plants
Which mechanism is responsible for the difference in stoma regulation at the molecular level? To answer this, the researchers analysed SLAC1 channels of various herbaceous plants compared to grasses. This allowed them to identify the "nitrate sensor" of the grasses: It is comprised of a motif of two amino acids which first occurred in moss during evolution and was subsequently further optimised to give the guard cells their unique properties.
In a next step, the team of researchers wants to establish whether herbaceous agricultural crops also benefit from having a nitrate sensor. To achieve this, the scientists want to fit arabidopsis plants that lack the SLAC1 channel with the SLAC1 channel of barley. "If this step increases their stress tolerance, we can consider breeding optimised potatoes, tomatoes or rapeseed," Hedrich says.
Financed in the BayKlimaFit programme
The research activities were undertaken within the scope of the Bavarian BayKlimaFit consortium. Its goal is to find strategies to make food crops fit for climate change. The consortium receives funding from the Bavarian State Ministry of the Environment and Consumer Protection.
“A tandem amino acid residue motif in guard cell SLAC1 anion channel of grasses allows for the control of stomatal aperture by nitrate”. Nadine Schäfer, Tobias Maierhofer, Johannes Herrmann, Morten Egevang Jørgensen, Christof Lind, Katharina von Meyer, Silke Lautner, Jörg Fromm, Marius Felder, Alistair M. Hetherington, Peter Ache, Dietmar Geiger, Rainer Hedrich. Current Biology, 26 April 2018, DOI: 10.1016/j.cub.2018.03.027
more information:
http://www.bayklimafit.de/index.php?id=1&L=1 BayKlimaFit research consortium
http://www.bayklimafit.de/index.php?id=22&L=1 Prof. Hedrich's BayKlimaFit subproject
https://www.biozentrum.uni-wuerzburg.de/en/bot1/research/prof-dr-rainer-hedrich/ Team of Prof. Hedrich
Mit Wassermangel kommt Getreide viel besser zurecht als andere Pflanzen
Warum das so ist, haben Würzburger Forscher nun herausgefunden. Ihr Wissen könnte zur Züchtung von Nutzpflanzen führen, die resistenter gegen Trockenheit sind.
Ob Gerste, Weizen, Mais oder Reis: Alle diese Pflanzen gehören zu den Gräsern. Für die Ernährung der Weltbevölkerung sind sie sehr bedeutsam. Die Landwirtschaft erzeugt aus Gräsern 80 Prozent aller pflanzlichen Nahrungsmittel. Dieser Erfolg liegt unter anderem darin begründet, dass Gräser schneller als andere Pflanzen auf Trockenheit reagieren und Wassermangel besser überstehen können.
Wie kommt die größere Toleranz der Gräser gegenüber Trockenheit zustande? Lässt sie sich in andere Nutzpflanzen einzüchten, um in der Zukunft die landwirtschaftlichen Erträge zu sichern oder zu verbessern? Bei einer wachsenden Weltbevölkerung und angesichts des Klimawandels, der mit immer mehr Trocken- und Hitzeperioden einhergeht, könnte das wichtig sein.
Mit diesen Fragen beschäftigen sich die Pflanzenforscher Professor Rainer Hedrich, Professor Dietmar Geiger und Dr. Peter Ache von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Am Beispiel der Braugerste haben sie untersucht, warum Gräser stresstoleranter und damit „bessere“ Nutzpflanzen sind als Kartoffel & Co.
Die Vorgänge an einer Blattpore (Stoma) bei Gräsern. Beim Öffnen und Schließen werden Ionen im Shuttle-Transport zwischen Schließ- und Nebenzellen hin und her verschoben. (Bild: Dietmar Geiger)
Zwei Aminosäuren machen den Unterschied
Fündig wurden die Forscher im Protein SLAC1 der Schließzellen. Der Unterschied liegt in nur zwei Aminosäuren begründet – das sind die Bausteine, aus denen Proteine bestehen. „Wir wollen nun herausfinden, ob sich dieser kleine Unterschied nutzen lässt, um auch Kartoffeln, Tomaten oder Raps stresstoleranter zu machen“, sagt Rainer Hedrich.
Veröffentlicht sind die neuen Erkenntnisse im renommierten Fachblatt „Current Biology“. Hedrich, Geiger und Ache beschreiben darin, wie sie dem kleinen Unterschied zwischen Gräsern und anderen Pflanzen auf die Spur kamen.
Ionentransport ist ein Schlüsselvorgang
Ihre Forschungen setzten an den mikroskopisch kleinen Blattporen an. Über diese Öffnungen strömt Kohlendioxid für die Photosynthese in den Pflanzenkörper. Sie sind aber auch die Austrittspforten für Wasser. Um zu verhindern, dass sie durch Verdunstung zu viel Wasser verlieren, haben Landpflanzen während der Evolution gelernt, ihre Blattporen mit der Hilfe von speziellen Schließzellen aktiv zu öffnen und zu schließen. Bei diesem Regulationsprozess spielen Membranproteine wie zum Beispiel SLAC1 eine entscheidende Rolle – wie Kanäle leiten sie Ionen in die Zellen hinein oder hinaus.
Hedrich ist überzeugt: „Ein grundlegendes Verständnis der molekularen Vorgänge beim Ionentransport über die Plasmamembran der Schließzellen ist der Schlüssel, um die Trockentoleranz und die Erträge landwirtschaftlich genutzter Pflanzen zu verbessern.“
Ionen-Shuttle macht Blattporen effizienter
Eine Besonderheit der Gräser zeigt sich an den Blattporen: Diese sind von zwei Zellpaaren umrandet, während man bei anderen Pflanzen nur ein Zellpaar findet. Die Gräser besitzen zwei hantelförmige Schließzellen, die die Pore bilden und regulieren. Dazukommen zwei Nebenzellen.
Die JMU-Forscher haben nachgewiesen, dass die Nebenzellen beim Schließen der Pore das Kalium und das Chlorid aus den Schließzellen aufnehmen und speichern. Beim Öffnen der Pore reichen sie die Ionen wieder an die Schließzellen weiter. „Unsere Getreide nutzen die Nebenzellen als dynamisches Reservoir für osmotisch aktive Ionen. Dieser Ionen-Shuttle zwischen Schließ- und Nebenzelle erlaubt es, die Öffnungsweite der Poren besonders schnell und effizient zu regulieren“, erklärt Dietmar Geiger.
Zwei Mess-Systeme für mehr Trockentoleranz
Es gibt noch einen zweiten Mechanismus, der Gräser besser auf Trockenheit reagieren lässt. Pflanzen produzieren bei Wassermangel das Stresshormon ABA (Abszissinsäure). Es aktiviert in den Schließzellen die Ionenkanäle der SLAC1-Familie, leitet damit das Schließen der Blattporen ein und verhindert so binnen weniger Minuten das Verwelken der Pflanze.
„Interessanterweise haben wir festgestellt, dass bei der Brauereigerste und anderen Gräsern zusätzlich zu ABA auch Nitrat vorhanden sein muss, damit sich die Poren schließen“, sagt Peter Ache. Über den Nitratgehalt könne die Gerste messen, wie es um ihre Photosynthese bestellt ist. Läuft sie gut, ist wenig Nitrat vorhanden.
Die Gerste setzt also auf zwei Mess-Systeme: Sie registriert die Wasserverfügbarkeit via ABA und die Photosynthese-Effizienz via Nitrat. „Durch die Kombination der beiden kann sich die Gerste unter Stressbedingungen zwischen den Extremen ‚Verhungern‘ und ‚Verdursten‘ besser durchlavieren als andere Pflanzen“, erklärt Rainer Hedrich.
Nitratsensor bei anderen Nutzpflanzen testen
Wo liegt der Unterschied bei der Regulation der Blattporen auf molekularer Ebene begründet? Um das zu klären, analysierten die Forscher SLAC1-Kanäle aus mehreren krautigen Pflanzen im Vergleich zu Gräsern. Dabei konnten sie den „Nitratsensor“ der Gräser identifizieren: Er besteht aus einem Motiv von zwei Aminosäuren, das in der Evolution erstmals bei Moosen aufgetreten ist, weiter optimiert wurde und den Schließzellen der Gräser einzigartige Eigenschaften verleiht.
Als nächstes will das JMU-Team klären, ob krautige Kulturpflanzen davon profitieren, wenn auch sie über den Nitratsensor verfügen. Dazu sollen zunächst Arabidopsis-Pflanzen, denen der Kanal SLAC1 fehlt, mit dem SLAC1-Kanal der Gerste ausgestattet werden. „Wenn ihre Stresstoleranz dann steigt, können wir weiter über die Züchtung von optimierten Kartoffeln, Tomaten oder Raps nachdenken“, so Hedrich.
Finanzierung im BayKlimaFit-Programm
Diese Arbeiten fanden im Rahmen des BayKlimaFit-Konsortiums statt. Sein Ziel ist es, Strategien zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel zu finden. Finanziell gefördert wird das Konsortium vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz.
“A tandem amino acid residue motif in guard cell SLAC1 anion channel of grasses allows for the control of stomatal aperture by nitrate”. Nadine Schäfer, Tobias Maierhofer, Johannes Herrmann, Morten Egevang Jørgensen, Christof Lind, Katharina von Meyer, Silke Lautner, Jörg Fromm, Marius Felder, Alistair M. Hetherington, Peter Ache, Dietmar Geiger, Rainer Hedrich. Current Biology, 26. April 2018, DOI: 10.1016/j.cub.2018.03.027
Weitere Informationen:
http://www.bayklimafit.de/ Forschungskonsortium BayKlimaFit
http://www.bayklimafit.de/index.php?id=22&L=0 Prof. Hedrichs BayKlimaFit-Teilprojekt
https://www.biozentrum.uni-wuerzburg.de/en/bot1/research/prof-dr-rainer-hedrich/ Arbeitsgruppe Prof. Hedrich
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