Adaptierung des Pollenmetabolismus bei Trockenstress

Hintergrund. Neueste Daten der FAO (Food and Agriculture Organization der Vereinten Nationen) prognostizieren einen globalen Wassermangel aufgrund des Klimawandels bei gleichzeitigem Anstieg des Wasserverbrauches in der Landwirtschaft für die Nahrungsproduktion einer wachsenden Weltbevölkerung. Der durch diesen Wassermangel zu erwartende Trockenstress wirkt sich nicht nur auf das Wachstum der Pflanzen aus, sondern führt zu einer starken Reduktion des Ernteertrags, da die Befruchtung, insbesondere der daran beteiligte männliche Teil, der Pollen, extrem empfindlich auf Trockenstress reagiert und somit direkte Auswirkungen auf den Ernteertrag hat. Auf seinem Weg zur Eizelle muss der Pollen kontinuierlich Wasser vom umliegenden Gewebe aufnehmen, um einen Pollenschlauch auswachsen zu lassen, der in Richtung Eizelle wächst. Bisher ist es völlig unbekannt, wie der Pollen auf ein reduziertes Wasserangebot der Pflanze reagiert und wie er sich an diese osmotischen Bedingungen adaptieren kann, um trotzdem eine erfolgreiche Befruchtung zu gewährleisten. Hypothese/Ziel. Welche molekularen Mechanismen ermöglichen es dem Pollen, sich auf suboptimale osmotische Bedingungen während des Trockenstresses in der Reproduktionsphase einzustellen? Im Fokus stehen dabei dynamische Veränderungen der Stoffwechselwege sowie der Metabolitkonzen- trationen, die zu einem Absenken des Wasserpotentials im Innern des Pollen führen und dadurch eine kontinuierliche Wasseraufnahme trotz Wassermangels der Pflanze erlauben würden. Methoden. Durch einen neuartigen experimentellen Ansatz, der Kombination von gleichzeitigen Turgordruckmessungen und der gezielten Bestimmung von Metabolitkonzentrationen im Zytosol mittels fluoreszierender Nanosensoren im lebenden Pollen, kann der Zusammenhang beider Parameter während der Osmoregulation im Pollen bestimmt werden. Hierbei werden zuerst bestimmte Metabolite untersucht, für die Änderungen in Vorexperimenten postuliert wurden (z.B. Glukose, Saccharose). Um weitere Kandidaten für den Mechanismus der Osmoregulation zu identifizieren, werden zusätzlich die Änderungen aller Metabolite während einer osmotischen Behandlung in einer Metabolome-Studie untersucht. Dabei kann gezielt nach weiteren Kandidaten, für die es bisher noch keine Nanosensoren gibt, gesucht werden, aber auch eine sogenannte ungerichtete Analyse ist möglich, die dann bisher noch nicht identifizierbaren Metaboliten eine Funktion bei der Osmoregulation zuweist. Die Untersuchungen werden an den Modellorganismen Lilienpollen und Arabidopsis-Pollen durchgeführt. Erwartete Ergebnisse. Diese Studie identifiziert molekulare Komponenten und Prozesse, die an der Osmoregulation im Pollen beteiligt sind. Die Etablierung der Messtechnik Drucksonde/Nanosensor erlaubt in Zukunft die Untersuchung weiterer molekularer Details im Pollen, aber auch in anderen Pflanzengeweben. Die neuen Erkenntnisse über die molekularen Prozesse, die der Pollen nutzt, um sich auf veränderte osmotische Bedingungen einzustellen, definieren neue Marker für die zukünftige Züchtung von Trockenstress-resistenter Nutzpflanzen, die trotz zunehmender globaler Erwärmung weiterhin genügend Nahrung liefern können.

Im Zuge des Klimawandels werden Trocken - und Dürreperioden immer häufiger. Insbesondere der Befruchtungsprozess der Pflanzen reagiert sehr empfindlich auf Wassermangel und der Ertrag an Früchten und Samen, die das Ergebnis einer erfolgreichen Befruchtung darstellen und die Grundlage unserer Nahrung bilden, verringert sich. Besonders empfindlich auf Wassermangel reagiert der Pollen, der die genetische Information des männlichen Teils beisteuert, da Pollenkörner für das Wachstum der Pollenschläuche zu den Eizellen, Wasser aufnehmen müssen, dass von dem umgebenen Griffelgewebe bereitgestellt wird. Fällt die Befruchtung nun in eine kurze Trockenperiode, dann kann der "weibliche" Teil, das Griffelgewebe, nicht genügend Wasser liefern, der Befruchtungsvorgang wird abgebrochen und es entsteht keine Frucht. Das Forschungsprojekt untersuchte die Möglichkeiten, die der Pollen besitzt, trotz vorherrschenden Trockenstress genügend Wasser aus dem Gewebe zu ziehen, um das Schlauchwachstum aufrecht zu erhalten und den Befruchtungsvorgang erfolgreich abzuschließen. Dazu wurden Pollenkörner in einem synthetischen Keimmedium einem osmotischen Stress ausgesetzt, der ähnlich einem Trockenstress das externe physikalische Wasserpotential verringert. Mit Hilfe von verschiedenen "omics"-Analysen wurde die Bestandteile des Pollens untersucht und aus den Einzeldaten die dynamische Änderung des Stoffwechsels, der Signalweiterleitungswegen und physiologischer Prozesse rekonstruiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass Pollenschläuche sensibler als ungekeimte Pollenkörner reagieren und vor allem der Kohlenhydratstoffwechsel und der Transport von Substanzen in die Pollenzelle so geändert wird, dass Wasser von selbst in den Pollenschlauch fließt. Somit konnten molekulare Marker gefunden werden, die während des Züchtungsprozesses gezielt untersucht werden, um trockenresistente, neue Sorten zu züchten.