Wissenschaftler entdecken Mechanismus, mit dem Pflanzen den „Mund“ kontrollieren

Da das Atmen im Allgemeinen unwillkürlich ist, vergessen wir manchmal, wie kompliziert es ist. Aber Biologen gewinnen neue Einblicke in den komplizierten Prozess in Pflanzen, mit großen Auswirkungen darauf, wie die Welt in Zukunft ernährt werden kann.

Forscher der University of California San Diego haben zusammen mit Mitarbeitern in Estland und Finnland einen schwer fassbaren molekularen Weg gefunden, den Pflanzen verwenden, um ihre „Atmung“ zu steuern Kohlendioxid. Die Forscher hoffen, dass die Nutzung dieses Mechanismus zu einer zukünftigen Entwicklung der Wassernutzungseffizienz von Pflanzen und der Kohlenstoffaufnahme führen könnte, die so entscheidend wie atmosphärischer Kohlenstoff ist Dioxid Die Konzentration nimmt weiter zu. Tatsächlich haben die Forscher ein Patent angemeldet und untersuchen Möglichkeiten, ihre Erkenntnisse in Werkzeuge für zu übersetzen Pflanzenzüchter und Bauern.

Die Studie wurde heute in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Stomata, na und?

Pflanzen nehmen Kohlendioxid und Wasser auf und wandeln diese dann mithilfe von Licht in die Nährstoffe um, die sie zum Wachsen benötigen. Bei diesem Vorgang wird auch Sauerstoff freigesetzt, den Menschen und andere Tiere dann einatmen. Das ist die grundlegende Zusammenfassung der Photosynthese. Aber wie genau funktioniert es?

Auf der wird der Vorgang etwas klarer mikroskopische Ebene. Auf der Unterseite der Blätter und anderswo befinden sich je nach Pflanze winzige Öffnungen, die Stomata genannt werden – Tausende von ihnen pro Blatt mit Variationen von Pflanzen Spezies. Wie kleine Burgtore, Zellpaare an den Seiten der stomatalen Pore – bekannt als Schließzellen– öffnen ihre zentrale Pore, um das Kohlendioxid aufzunehmen. Wenn die Spaltöffnungen jedoch geöffnet sind, ist das Innere der Pflanze den Elementen ausgesetzt und Wasser aus der Pflanze geht in die Umgebungsluft verloren, was die Pflanze austrocknen kann. Pflanzen müssen daher die Aufnahme von Kohlendioxid mit dem Wasserdampfverlust ausgleichen, indem sie steuern, wie lange die Stomata geöffnet bleiben.

„Die Reaktion auf Veränderungen ist entscheidend für Pflanzenwachstum und regulieren, wie effizient die Pflanze Wasser nutzen kann, was wichtig ist, da wir zunehmende Trockenheit und steigende Temperaturen sehen“, sagte Julian Schroeder, Lehrstuhl für Pflanzenwissenschaften des Torrey Mesa Research Institute an der UC San Diego, der die neue Forschung leitete.

Wenn sich das Klima ändert, werden sowohl die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration als auch Temperaturerhöhung, die das Gleichgewicht zwischen Kohlendioxideintrag und Wasserdampfverlust durch die Spaltöffnungen beeinflussen. Wenn Pflanzen, insbesondere Feldfrüchte wie Weizen, Reis und Mais, kein neues Gleichgewicht finden können, riskieren sie, auszutrocknen, Landwirte riskieren, wertvolle Erträge zu verlieren, und immer mehr Menschen auf der ganzen Welt riskieren, zu hungern. Trotz Fortschritten in der Landwirtschaft ergab eine 2021 veröffentlichte Studie, dass die globale landwirtschaftliche Produktivität in den letzten 60 Jahren unverändert ist 21 % nach unten als es ohne den Klimawandel möglich gewesen wäre.

Wissenschaftler kennen Stomata und das Gleichgewicht zwischen Kohlendioxidaufnahme und Wasserverlust schon lange. Was sie bisher nicht wussten, ist, wie Pflanzen Kohlendioxid wahrnehmen, um Stomata zu signalisieren, sich als Reaktion auf sich ändernde Kohlendioxidwerte zu öffnen und zu schließen. Das Wissen darüber wird es Forschern nun ermöglichen, diese Signale zu bearbeiten – damit Pflanzen das richtige Gleichgewicht zwischen der Aufnahme von Kohlendioxid und dem Verlust von Wasser finden können – und es Wissenschaftlern und Pflanzenzüchtern ermöglichen, Pflanzen zu produzieren, die robust genug für die Umwelt der Zukunft sind.

Die Wachen rufen

Die Forscher identifizierten eine Reihe von Proteinen, die wie eine Kette von Soldaten funktionieren, die den Kohlendioxidgehalt erfassen und „CLOSE THE GATES!“ rufen. um die Schutzzellen dazu zu bringen, sich zu entspannen und die Spaltöffnungen zu schließen.

„Zu finden, dass der CO₂ Sensor in Pflanzen aus zwei Proteinen besteht, war aufschlussreich und könnte ein Grund dafür sein, dass der Mechanismus bis jetzt nicht identifiziert wurde“, sagte Schroeder.

„Diese Arbeit ist ein wunderbares Beispiel für von Neugier getriebene Forschung, die mehrere Disziplinen zusammenbringt – von der Genetik bis hin zur Modellierung Systembiologie– und führt zu neuem Wissen mit der Fähigkeit, der Gesellschaft zu helfen, in diesem Fall durch die Herstellung robusterer Pflanzen“, sagte Matthew Buechner, Programmdirektor in der NSF-Direktion für biologische Wissenschaften.

In einer kohlendioxidarmen Umgebung, in der die Pflanze die Stomata länger offen halten muss, um die Menge zu erhalten, die sie für die Photosynthese benötigt, aktiviert ein Protein namens HT1 ein Enzym, das die Schutzzellen zum Anschwellen zwingt und das Stoma offen hält.

Wenn die Pflanze erhöhte Konzentrationen von wahrnimmt Kohlenstoff Kohlendioxid, ein zweites Protein, blockiert das erste daran, die Stomata offen und die Stomata geschlossen zu halten. Wenn sich die Spaltöffnungen schließen, bevor die Pflanze genügend Ressourcen für die Photosynthese erhalten kann, kann der landwirtschaftliche Ertrag geringer oder nicht vorhanden sein.

„Bestimmen wie Pflanzen kontrollieren sie Stomata unter wechselndem CO₂ Ebenen schafft eine andere Art von Öffnung – eine für neue Forschungswege und Möglichkeiten zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen“, sagte Richard Cyr, ein NSF-Programmdirektor, der vor seinem Eintritt in die Agentur Pflanzenzellbiologie studierte.