Gestresste Pflanzen

Hitze, Dürre oder Frost bedeuten Stress: Prof. Dr. Christiane Werner, Professorin für Ökosystemphysiologie am Institut für Forstwissenschaften der Universität Freiburg, erforscht mit ihrem Team, wie Pflanzen verschiedene Moleküle während des Stoffwechsels verarbeiten und welche sie zum Beispiel als Schutz vor Stress in flüchtige organische Verbindungen (BVOC) stecken. So kann sie erkennen, welcher Prozess im Inneren der Pflanze in Extremsituationen abläuft und was diese in die Atmosphäre abgibt. Zusammen mit Lukas Fasbender ist es nun gelungen, die Stoffwechselwege der mediterranen Pflanze Halimium halimifolium, bekannt als Gelbe Zistrose, in Echtzeit sichtbar zu machen. Ihre Ergebnisse stellen die Forschenden im Onlinefachmagazin „PLOS One“ vor.

Fasbender hat ein Messsystem in zwei Klimakammern aufgebaut, mit dem er nicht nur bestimmen kann, wieviel Kohlendioxid in der Photosynthese von Pflanzen aufgenommen oder abgegeben wird. Sondern er kann damit beobachten, was die Pflanze zusätzlich an biogenen flüchtigen organischen Elementen, unter anderem Schutz- und Duftmolekülen, in die Luft abgibt. Fasbender und Werner führten den Blättern des Zistrosengewächses markiertes Pyruvat zu, das aus drei Kohlenstoffatomen besteht und in der Pflanze als zentrales Stoffwechselprodukt vorkommt, da es zum Beispiel zur Synthese von BVOCs oder zur Energiegewinnung in der Atmung gebraucht wird. Das Freiburger Forschungsteam, dessen Arbeit durch den Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrates gefördert wird, verwendet dafür Pyruvat, das an einzelnen Atomen mit stabilen Isotopen markiert ist: „Damit könne wir in Echtzeit den Weg einzelner Atome und die Geschwindigkeit des Einbaus in BVOCs oder CO₂ Kohlendioxid verfolgen“, erklärt Werner. Den Forschenden der Albert-Ludwigs-Universität gelang es so, im Sekundentakt zu beobachten, wie die mediterrane Pflanze das Pyruvat in ihren Stoffwechsel einbaut, die Moleküle zerlegt und den abgespalteten Kohlenstoff verarbeitet. Mit diesem System konnte Dr. Ana Maria Yáñez-Serrano nachweisen, dass mediterrane Zistrosen sogar sehr große, aus 20 Kohlenstoffatomen bestehende Moleküle, so genannte Diterpene, abgeben können.

Zurzeit verändert das Team die Licht- und Temperaturverhältnisse sowie die Wasser- und Luftzufuhr in den Lichtkammern, sodass die Pflanze stets auf neue Situationen reagieren müssen. „Uns interessiert, was sich innerhalb des Systems verschiebt und wie lange sich eine Pflanze zum Beispiel gegen eine Dürre schützen kann, bis das System kippt“, erklärt Werner. „Mit den aktuellen Ergebnissen unserer Echtzeitanalyse ist uns ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Regulationsmechanismen im pflanzlichen Kohlenstoffwechsel und der BVOC-Biosynthese gelungen.“

Originalpublikation:

Lukas Fasbender, Ana Maria Yáñez-Serrano, Jürgen Kreuzwieser, David Dubbert, Christiane Werner (2018). Real-time carbon allocation into biogenic volatile organic compounds (BVOCs) and respiratory carbon dioxide (CO2) traced by PTR-TOF-MS, 13CO2 laser spectroscopy and 13C-pyruvate labeling. In: PLOS One. doi: 10.1371/journal.pone.0204398

Weitere Publikation zu dem Thema in „Scientific Reports“:

Ana Maria Yáñez-Serrano, Lukas Fasbender, Jürgen Kreuzwieser, David Dubbert, Simon Haberstroh, Raquel Lobo-do-Vale, Maria C. Caldeira, Christiane Werner (2018). Volatile diterpene emission by two Mediterranean Cistaceae shrubs. Scientific Reports. doi:10.1038/s41598-018-25056-w

Artikel zum Forschungsprojekt im Online-Magazin