News: Widerstandsfähiger Reis
Dürre, Salz- und Temperaturstress sind drei gewichtige Gründe für Pflanzen, ihr Wachstum einzustellen. Aber die Synthese eines einfachen Zuckermoleküls macht sie widerstandsfähiger gegen diese Schicksalsschläge.
© Proceedings of the National Academy of Sciences (Ausschnitt)
Damit eine Pflanze richtig gedeihen kann, braucht sie exzellente Umweltbedingungen. Anhaltende Trockenheit, salzige Böden und unvorhergesehene Temperaturschwankungen gehören nicht dazu. Wird die Pflanze mit solchen Zuständen konfrontiert, gerät sie unter Stress, lässt die Blätter hängen und dreht ihr Wachstum auf Sparflamme. Möglicherweise übersteht sie die unwirtliche Situation gar nicht.
Wahre Überlebenskünstler unter solchen Bedingungen ist die Auferstehungspflanze Selaginella lepidophylla, die sich in der Wüste heimisch fühlt und hier selbst langanhaltende Dürren überstehen kann. Bei großer Hitze sieht sie aus, als ob sie längst das Zeitliche gesegnet hätten und für immer dahin geschieden wäre. Kommt jedoch die Feuchtigkeit in die Wüste zurück, erwacht auch die Auferstehungspflanze erneut zum Leben.
Dies verdankt sie einem einfachen Zuckermolekül, wie Ray Wu und sein Team von der Cornell University vermuten: Trehalose, ein aus zwei Glucosemolekülen bestehender Disaccharid, scheint die Zellen zu schützen, indem es den Wassermantel ersetzt, der Membranen und Proteine umgibt. Und obwohl Trehalose in vielen Organismen vorkommt – von Bakterien über Pilze bis hin zu Insekten –, müssen die meisten Pflanzen auf den Dürreschutz verzichten.
Was liegt da näher, als die Zuckersynthese ins Pflanzengenom zu integrieren und die Grünlinge so vor dem Vertrocknen zu bewahren. Doch bislang waren die Versuche nicht mit Erfolg gekrönt. Die solchermaßen aufgepeppten Pflanzen lehnten die zusätzliche Genfracht schlicht ab. Auf sie zukommenden Stress konnten sie nun noch schlechter verkraften als zuvor, und sie stellten zuweilen ihr Wachstum ganz ein.
Wu und sein Team löste das Problem des offensichtlich unverträglichen Überangebots, indem er für seine Experimente zwei verantwortliche Gene aus dem Bakterium Escherichia coli miteinander fusionierte und dem Ganzen noch eine steuerbare genetische Sequenz voranstellte: den Promotor. Eingesetzt in eine Reispflanze konnte diese ganz nach ihren Bedürfnissen die Produktion des schützenden Zuckermoleküls anschalten, etwa, wenn sie von plötzlichen Temperaturstürzen kalte Füße bekam. Ein weiterer Vorteil: Die Gensequenz für Trehalose konnte in unterschiedlichen Pflanzenteilen unterschiedlich reguliert werden. So fuhren nur die Blätter ihre Konzentration des Disaccharids in die Höhe, während die essbaren Teile unverändert blieben.
Auch in stressfreien Zeiten gewann die Pflanze von der zusätzlichen Bakteriensequenz. So verlief die Energiegewinnung aus Licht im Prozess der Photosynthese effizienter – die Produktivität stieg. Und manche Nährstoff im Boden – wie Zink und Eisen – konnten leichter aufgenommen werden.
Das neu vererbte Schutzschild blieb hartnäckig erhalten: Über fünf Generationen verfolgten Wu und seine Mitarbeiter das Schicksal der beiden bakteriellen Trehalose-Gene im Reis. Die gewünschten, stressschützenden Eigenschaften gingen in dieser Zeit nicht verloren.
Zwar ist es Wu bislang erst gelungen, mit dem Basmati-Reis eine chinesische Reispflanze widerstandsfähiger zu machen, doch auch japanischer Reis und andere Getreidesorten sollen von dem Verfahren profitieren. Bis dahin bleibt den Wissenschaftlern allerdings noch einiges zu tüfteln, wie der an den Ergebnissen beteiligte Biologe Ajay Garg gesteht: "Wir haben noch viel über Trehalose in wichtigen Getreidesorten zu lernen."
Wahre Überlebenskünstler unter solchen Bedingungen ist die Auferstehungspflanze Selaginella lepidophylla, die sich in der Wüste heimisch fühlt und hier selbst langanhaltende Dürren überstehen kann. Bei großer Hitze sieht sie aus, als ob sie längst das Zeitliche gesegnet hätten und für immer dahin geschieden wäre. Kommt jedoch die Feuchtigkeit in die Wüste zurück, erwacht auch die Auferstehungspflanze erneut zum Leben.
Dies verdankt sie einem einfachen Zuckermolekül, wie Ray Wu und sein Team von der Cornell University vermuten: Trehalose, ein aus zwei Glucosemolekülen bestehender Disaccharid, scheint die Zellen zu schützen, indem es den Wassermantel ersetzt, der Membranen und Proteine umgibt. Und obwohl Trehalose in vielen Organismen vorkommt – von Bakterien über Pilze bis hin zu Insekten –, müssen die meisten Pflanzen auf den Dürreschutz verzichten.
Was liegt da näher, als die Zuckersynthese ins Pflanzengenom zu integrieren und die Grünlinge so vor dem Vertrocknen zu bewahren. Doch bislang waren die Versuche nicht mit Erfolg gekrönt. Die solchermaßen aufgepeppten Pflanzen lehnten die zusätzliche Genfracht schlicht ab. Auf sie zukommenden Stress konnten sie nun noch schlechter verkraften als zuvor, und sie stellten zuweilen ihr Wachstum ganz ein.
Wu und sein Team löste das Problem des offensichtlich unverträglichen Überangebots, indem er für seine Experimente zwei verantwortliche Gene aus dem Bakterium Escherichia coli miteinander fusionierte und dem Ganzen noch eine steuerbare genetische Sequenz voranstellte: den Promotor. Eingesetzt in eine Reispflanze konnte diese ganz nach ihren Bedürfnissen die Produktion des schützenden Zuckermoleküls anschalten, etwa, wenn sie von plötzlichen Temperaturstürzen kalte Füße bekam. Ein weiterer Vorteil: Die Gensequenz für Trehalose konnte in unterschiedlichen Pflanzenteilen unterschiedlich reguliert werden. So fuhren nur die Blätter ihre Konzentration des Disaccharids in die Höhe, während die essbaren Teile unverändert blieben.
Auch in stressfreien Zeiten gewann die Pflanze von der zusätzlichen Bakteriensequenz. So verlief die Energiegewinnung aus Licht im Prozess der Photosynthese effizienter – die Produktivität stieg. Und manche Nährstoff im Boden – wie Zink und Eisen – konnten leichter aufgenommen werden.
Das neu vererbte Schutzschild blieb hartnäckig erhalten: Über fünf Generationen verfolgten Wu und seine Mitarbeiter das Schicksal der beiden bakteriellen Trehalose-Gene im Reis. Die gewünschten, stressschützenden Eigenschaften gingen in dieser Zeit nicht verloren.
Zwar ist es Wu bislang erst gelungen, mit dem Basmati-Reis eine chinesische Reispflanze widerstandsfähiger zu machen, doch auch japanischer Reis und andere Getreidesorten sollen von dem Verfahren profitieren. Bis dahin bleibt den Wissenschaftlern allerdings noch einiges zu tüfteln, wie der an den Ergebnissen beteiligte Biologe Ajay Garg gesteht: "Wir haben noch viel über Trehalose in wichtigen Getreidesorten zu lernen."
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