Wie die Quinoa Stielzellen eine Blasenzellen basierte Salztoleranz ermöglichen.
Biophysik
Genetik und Genomik der Pflanzen
Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit dem Klimawandel und der Ausbreitung von Böden mit hohem Salzgehalt steigt der Druck auf die Landwirtschaft, ertragreiche und zugleich genügsame Kulturpflanzen zu entwickeln. Quinoa, ein uraltes Pseudogetreide aus Südamerika, gilt als echte Hoffnungsträgerin: Sie liebt nicht nur salzhaltige Böden, sondern besitzt einen einzigartigen Mechanismus, um überschüssiges Salz aus ihren Zellen herauszuhalten. Der Schlüssel dazu liegt in kleinen „Salzblasen“ (Epidermal Bladder Cells, EBCs) auf den Blättern – und ganz besonders in den sogenannten Stielzellen (Stalk Cells), die diese Blasen mit den Blättern verbinden. In diesem Projekt haben Forschende aus Deutschland und internationale Partner die Rolle dieser Stielzellen erstmals umfassend untersucht. Mithilfe modernster Methoden der Zellbiologie, Genetik und Elektrophysiologie konnten sie zeigen, dass die Stielzellen als hoch spezialisierte „Torwächter“ fungieren: Sie steuern, welche Ionen (wie Natrium und Chlorid) sowie Nährstoffe und Zucker gezielt aus dem Blatt in die Blasen transportiert und dort sicher gespeichert werden. So schützen Stielzellen sowohl das lebenswichtige Blattgewebe im Allgemeinen und die Photosynthese im Besonderen vor Salzschäden. Die Untersuchungen zeigten, dass die Stielzellen einen besonders regen Energiestoffwechsel besitzen und über ein einzigartiges Spektrum an Transportproteinen verfügen, die funktionell auf einander abgestimmt und ausgerichtet sind. Diese Polarisierung sorgt dafür, dass Ionen quasi über eine „Einbahnstraße“ in die Salzblasen gelangen, während unerwünschte Rückflüsse verhindert werden. Bemerkenswert ist, dass sich genau dieser Mechanismus – selektiver, aktiver Ionentransport durch spezialisierte Stielzellen – in herkömmlichen Kulturpflanzen bislang nicht findet. Die neuen Erkenntnisse bilden daher die Grundlage, die Salztoleranz in Nutzpflanzen zu verstehen und in Zukunft auf weitere Nutzpflanzen zu übertragen. Langfristig könnten so Pflanzen gezüchtet werden, die auf salzigen Böden wachsen und sichere Ernten liefern – ein wichtiger Schritt für Ernährungssicherheit weltweit. Das Projekt ist ein Beispiel, wie Forschung an scheinbar exotischen Pflanzen konkrete Innovationen für die Landwirtschaft auch im Hinblick auf den Klimawandel bringen kann – und zeigt zugleich, wie grundlagenorientierte Zellbiologie und angewandte Pflanzenzüchtung Hand in Hand gehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Stalk cell polar ion transport provide for bladder‐based salinity tolerance in Chenopodium quinoa. New Phytologist, 235(5), 1822-1835.
Bazihizina, Nadia; Böhm, Jennifer; Messerer, Maxim; Stigloher, Christian; Müller, Heike M.; Cuin, Tracey Ann; Maierhofer, Tobias; Cabot, Joan; Mayer, Klaus F. X.; Fella, Christian; Huang, Shouguang; Al‐Rasheid, Khaled A. S.; Alquraishi, Saleh; Breadmore, Michael; Mancuso, Stefano; Shabala, Sergey; Ache, Peter; Zhang, Heng; Zhu, Jian‐Kang ... & Scherzer, Sönke
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The epidermal bladder cell‐free mutant of the salt‐tolerant quinoa challenges our understanding of halophyte crop salinity tolerance. New Phytologist, 236(4), 1409-1421.
Moog, Max William; Trinh, Mai Duy Luu; Nørrevang, Anton Frisgaard; Bendtsen, Amalie Kofoed; Wang, Cuiwei; Østerberg, Jeppe Thulin; Shabala, Sergey; Hedrich, Rainer; Wendt, Toni & Palmgren, Michael
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Under salt stress quinoa stomatal guard cells control transpiration in an ABA-primed manner. openRxiv.
Huang, Shouguang; Messerer, Maxim; Müller, Heike M.; Scherzer, Sönke; Roelfsema, M. Rob G.; Weiste, Christoph; Krischke, Markus; Korte, Pamela; Moog, Max William; Mayer, Klaus F. X.; Ache, Peter & Hedrich, Rainer
