Salztolerante Pflanzen züchten

Die Bodenerosion gilt als Problem, das die Ernährung der Menschheit gefährdet. Dazu gehört auch die Bodenversalzung, die vor allem in trockenen Regionen der Erde dort auftritt, wo Landwirte ihre Felder intensiv bewässern müssen: Im Wasser gelöste Salze wie Natrium und Chlorid werden im großen Stil auf die Äcker gebracht und bleiben im Boden zurück, wenn das Wasser verdunstet ist. Das Salz schmälert die Erträge und kann die Böden auf lange Sicht sogar unfruchtbar machen.

„Die bisherigen Ansätze, salztolerante Pflanzen zu züchten, muss man als mehr oder weniger gescheitert betrachten“, sagt Professor Rainer Hedrich, Pflanzenwissenschaftler von der Universität Würzburg. Bislang sei versucht worden, Kulturpflanzen auf salzigen Böden wachsen zu lassen und dabei salztolerante Zuchtlinien zu identifizieren. Doch dieser Ansatz könne nicht funktionieren.

Der Grund: „Unsere Kulturpflanzen sind aus jahrelanger Zucht hervorgegangen. In dieser Zeit hat der Mensch fast alle negativen Umwelteinflüsse von ihnen ferngehalten, so dass sie viel von ihrer natürlichen Widerstandskraft verloren haben“, erklärt Hedrich. „Kommen diese Elitelinien mit zu viel Salz in Kontakt, gehen sie meist ein.“

Salztolerante Pflanzen als Vorbild

Hedrich hat also mit Professor Sergey Shabala (Universität Tasmanien) eine neue Strategie erarbeitet. Die Forscher setzen auf das Vorbild von Pflanzen, die von Natur aus salztolerant sind.

Quinoa (Chenopodium quinoa) ist eine solche Pflanze. Sie kommt aus den Anden, wo sie seit 7000 Jahren als Nahrungsmittel genutzt wird. Die glutenfreien und vitaminreichen Samen der getreideähnlichen Gewächse haben es mittlerweile auch in die Regale europäischer Supermärkte geschafft.

Die südamerikanische Pflanze nimmt Salz aus dem Boden auf und lagert es in blasenförmige Zellen auf ihrer Blattoberfläche ein. So bleiben ihre salzempfindlichen Stoffwechselvorgänge geschützt, die Pflanze kann selbst auf salzigen Böden gut wachsen.

Ohne Blasenzellen leidet Quinoa unter Salz

Dass die Blasenzellen tatsächlich für die Salztoleranz von Quinoa verantwortlich sind, haben die Forscher auf einfache Weise bewiesen: „Wenn man mit einem Pinsel nur leicht über ein Quinoablatt streicht, fallen die Blasenzellen ab“, so Shabala. Derart von ihren Salzblasen befreite Pflanzen wachsen auf salzfreien Böden genauso gut wie nichtgepinselte Exemplare. Bei Belastung mit Kochsalz dagegen bleibt ihr Wachstum erheblich zurück.

Die runden bis ovalen Blasenzellen von Quinoa haben einen Durchmesser von fast einem halben Millimeter. Damit sind sie wahre Riesen im Pflanzenreich und meist schon mit bloßem Auge zu erkennen. Ihr Speichervolumen ist bis zu 1000 Mal größer als das einer normalen Zelle der Blattoberfläche.

Salzentsorgung wird mit Zucker bezahlt

Um Einblick in das „Betriebssystem“ von Quinoa und ihren Blasenzellen zu bekommen, hat die Arbeitsgruppe von Professor Jian-Kang Zhu (Universität Shanghai) das Erbgut des Andengetreides entschlüsselt. Das Team von Hedrich hat dann die aktiven Gene von Blatt und Blasenzellen verglichen. Die nötigen bioinformatischen Analysen erledigten Fachleute von der Universität Shanghai und aus dem Team um Georg Haberer vom Helmholtz-Zentrum München.

Ergebnis: Schon ohne Salzbehandlung arbeiten in den Blasenzellen Gene, die bei anderen Pflanzenarten sonst nur bei Stress aktiv sind. Darunter befinden sich Transporter, die Natrium- und Chlorid-Ionen in die Blasenzelle transportieren. Nach einer Stimulation mit Salz werden weitere Gene aktiviert, die zur Aufrechterhaltung des Signalwegs des Stresshormons ABA gebraucht werden.

Die Speicherung des Salzes verbraucht Energie. Die gewinnen die Blasenzellen aus Zuckermolekülen, die sie eigens dafür aus dem Blatt importieren. „Die Blasenzellen bekommen die nötige Energie vom Blatt und revanchieren sich, indem sie dem Blatt das toxische Salz abnehmen“, so Hedrich.

Salztoleranz in Nutzpflanzen einkreuzen

Die neuen Erkenntnisse sind im Journal „Cell Reports“ veröffentlicht. Sie sollen auf lange Sicht für die Züchtung salztoleranter Pflanzen genutzt werden. „Der Anfang ist gemacht“, sagt Hedrich. „In einer Kombination aus Entwicklungsgenetik und funktioneller Analyse der Salztransport-Proteine wollen wir nun die molekularen Mechanismen verstehen, über welche die Salztoleranz bei Quinoa entsteht und aufrechterhalten wird.“

Das Forschungsteam will von Quinoa-Linien lernen, die mit sehr vielen oder sehr wenigen Salzblasen ausgestattet sind. Dafür steht ihm ein großer Fundus zur Verfügung: Bislang sind etwa 2000 Wild- und Zuchtformen der Andenpflanze bekannt. Am Ende könnte nicht nur die Züchtung noch salztoleranterer Quinoas stehen, sondern auch die Einkreuzung der Salztoleranz-Gene in verwandte Kulturpflanzen wie Zuckerrüben oder Spinat.

“A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and exceptional nutritional value". Heng Zhang, Changsong Zou, Aojun Chen, Lihong Xiao, Meiling Zhang, Wei Jia, Ping Deng, Ru Huang, Feng Li, Jian-Kang Zhu, Heike Muller, Peter Ache, Rainer Hedrich, Georg Haberer, Xiangyun Wu, Hui Zhang, Jennifer Bohm, Sergey Shabala, Renyi Liu, Daniel Lang, and Dongliang Zhan, Cell Reports, doi:10.1038/cr.2017.124

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, Biozentrum der Universität Würzburg, T +49 931 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de