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Wie Pflanzen Phosphat erkennen

  • Die Ackerschmal-Wand (Arabidopsis thaliana) ist eine der Pflanzenarten, bei denen die Forschenden den neuen Mechanismus feststellten. Sie ist eine unscheinbare, niedrige, einjährige, krautige Pflanze, die Wuchshöhen von bis 30 Zentimetern erreicht. – Salicyna

Eine Studie der Universität Bonn und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung beleuchtet den Mechanismus, mit dem Pflanzen erkennen, ob der Nährstoff Phosphat in ausreichender Menge vorliegt. Diesen Mechanismus aktivieren Pflanzen auch, um Phosphat zu mobilisieren und aufzunehmen. Das Enzym ITPK1 spielt dabei eine besondere Rolle.

Phosphat ist ein essenzieller Nährstoff für alle Lebewesen. Gleichzeitig sind seine Ressourcen auf der Erde begrenzt und nicht erneuerbar – Schätzungen zufolge können die zur Herstellung von Düngern geeigneten Phosphatvorkommen in den kommenden 300 Jahren aufgebraucht sein.

Nutzpflanzen phosphateffizienter machen

Wenn von Phosphat die Rede ist, dürfte aber noch ein weiteres Problem in einigen Köpfen auftauchen: In der schaft eingesetztes Phosphat kann durch seine Weitergabe in Gewässer dazu führen, dass aquatische Ökosysteme, also Flüsse, Seen und Ozeane, akut bedroht werden. Der Grund: Ein erhöhter Nährstoffgehalt in den Gewässern, Eutrophierung genannt, kann zu übermässigem Algenwachstum und schliesslich zu Sauerstoffmangel in den Ökosystemen führen.

Würde man es schaffen, Phosphat in der schaft ohne negative Auswirkungen auf die Erträge zu reduzieren, hätte das also zwei Vorteile. Zum einen könnte am Abbau von Phosphat gespart werden, zum anderen würde weniger Phosphat in die Ökosysteme wie Seen und Meere gelangen. Um das zu erreichen, arbeiten Forschende an Strategien, Nutzpflanzen phosphateffizienter zu machen. Das bedeutet, dass die Pflanzen Phosphat besser mobilisieren, aufnehmen und bei Bedarf recyceln können.

Signalmolekül

Weitestgehend unbekannt sind bisher die genauen Mechanismen, mit denen Pflanzen und andere Organismen erkennen, ob Phosphat in ausreichender Menge vorliegt oder ob sie Phosphat aufnehmen und mobilisieren müssen. Forschende entdeckten vor einiger Zeit, dass Pflanzen Phosphat nicht direkt wahrnehmen, sondern indirekt mithilfe des Signalmoleküls InsP8 aus der Stoffgruppe der Inositolpyrophosphate.

Sogenannte SPX-Proteine helfen dabei. «Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Inositolpyrophosphate wie InsP8 indirekt den Gesamtzustand des Pflanzenphosphats anzeigen», sagt Ricardo Giehl vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK).

Sehr empfindlich auf Phosphat

Allerdings war bisher unklar, wie Pflanzen InsP8 und dessen Vorstufe InsP7 produzieren. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, nutzte das Bonner Forscherteam bereits in einer vorherigen Studie einen genetischen Trick: In Bäckerhefe exprimierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hierfür in Frage kommende Kinasen – also Enzyme, die einen Phosphatrest vom sogenannten ATP, dem universellen Energieträger der Zelle, auf andere Substrate übertragen. Auf diese Weise identifizierten die Forschenden, dass die InsP6-Kinase ITPK1 die wichtigen Signalmoleküle in Gang setzt.

In der neuen Studie konnten sie zeigen, dass das Enzym ITPK1 in der Pflanze tatsächlich als InsP6-Kinase aktiv ist und für die Synthese des Isomers 5-InsP7 als direkte Vorstufe von InsP8 verantwortlich ist. Darüber hinaus fanden die Forschenden heraus, dass die Stoffgruppe, zu denen die Signalmoleküle gehören (Inositolpyrophosphate), sehr empfindlich auf Phosphat reagiert und diese von ihr ausgehende Regulation nicht nur in unterschiedlichen Pflanzen, sondern auch in menschlichen Zellen stattfindet.

Auf dem Weg zur nachhaltigen Nutzpflanzenproduktion

«Die Ergebnisse dieser und weiterer Studien haben weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis, wie Organismen Phosphatmangel erkennen und wie physiologische Antworten in Abhängigkeit des Energiestatus generiert werden», sagt Gabriel Schaaf vom INRES der Universität Bonn. «Unsere Arbeit liefert darüber hinaus wichtige Erkenntnisse, wie Nutzpflanzen durch neue Züchtungsmethoden, zum Beispiel durch Genomeditierung Phosphat-effizienter gemacht und dadurch umweltfreundlicher und ressourcenschonender angebaut werden können», fährt er fort

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Quelle: schweizerbauer.ch