ABA: Ein Pflanzenhormon im evolutionären Wandel

Als die Pflanzen im Lauf der Erdgeschichte das Meer verließen und als Moose das Land besiedelten, waren sie zunächst auf feuchte Lebensräume angewiesen. Dort aber wurden sie gelegentlich mit Trockenperioden konfrontiert. So lernten sie, auch in ausgetrocknetem Zustand zu überleben.

Als dann die Farne auf die Bühne des Lebens traten, entwickelten sie einen wasserdichten Schutzmantel aus Wachs. Dazu gesellten sich Poren in den Blättern, die das Atmen erlaubten, also den Austausch von Kohlendioxid und Sauerstoff mit der Umgebung. Diese Poren schließen sich bei Trockenheit. So wird verhindert, dass zu viel Wasser durch Verdunstung verloren geht.

Mit Wasser haushalten zu müssen: Unter diesem Selektionsdruck standen die frühen Landpflanzen. „Gerade die Ausbreitung der Farne war dabei offenbar eine ‚zeitliche Teststrecke‘ für die optimale Regulation der Blattporen“, sagt Professor Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Porenregulation früher Landpflanzen untersucht

Gestützt wird diese Einschätzung von neuen Erkenntnissen, die im Fachblatt PNAS veröffentlicht sind. Hedrich hat dafür mit einem internationalen Forschungsteam aus Würzburg, Hobart (Australien) und Purdue (USA) die Porenregulation evolutionär früher Landpflanzen unter die Lupe genommen.

Im Mittelpunkt der Experimente stand das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA), das bei den höher entwickelten Blütenpflanzen den Wasserhaushalt und die Poren reguliert. Auch bei der Auslösung der Samenruhe ist ABA essenziell. Bei den frühen Landpflanzen erfüllte es diese Funktionen noch nicht, wie sich jetzt gezeigt hat. Stattdessen spielt das Hormon dort eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des Geschlechts.

Was das Enzym der Farne in Blütenpflanzen bewirkt

Obwohl sich diese drei Prozesse so grundsätzlich unterscheiden, verläuft ihr Anfang jeweils identisch: Das Hormon ABA dockt an seinen Rezeptor an und setzt über einige Zwischenschritte das Enzym OST1 in Gang. Bei Blütenpflanzen sorgt das Enzym dafür, dass in den Schließzellen der Blätter der Anionenkanal SLAC1 aktiviert wird. Dadurch schließen sich die Blattporen. 

Anders bei den Farnen: Bei Ceratopteris richardii spielt OST1 eine Rolle bei der Festlegung des Geschlechts. Den Wasserhaushalt des Farns kann es nicht beeinflussen. „Wenn man aber OST1 aus einem Farn in Mutanten der Blütenpflanze Arabidopsis überführt, denen OST1 fehlt, kann es dort den ABA-Signalschaden beheben“, so Hedrich. Das habe man auch für den Salzfarn Selaginella moellendorffii bestätigt gefunden.

So sehen die nächsten Forschungsschritte aus

Die Vorläufer der Blütenpflanzen haben also schon einen ABA-Signalweg mit OST1 entwickelt, steuern damit aber noch nicht den Wasserhaushalt. Der Schlüssel zum Verständnis dieses Phänomens scheint im Ionenkanal SLAC1 zu liegen. „Bei Farnen hat er vermutlich noch nicht die Kompetenz erlangt, um durch OST1 aktiviert zu werden“, so Hedrichs Kollege Professor Dietmar Geiger.

Diese Annahme gelte es jetzt zu prüfen: Wie haben sich die Wechselwirkungen zwischen OST1 und SLAC1 auf dem Weg vom Farn zur ersten Blütenpflanze verändert? Um diese Frage zu klären, wollen die Würzburger Wissenschaftler nun Pflanzen unterschiedlicher evolutionärer Stellung auf den Grad ihrer OST1-SLAC1-Wechselwirkung durchmustern.

"Abscisic acid controlled sex before transpiration in vascular plants", Scott A. M. McAdam, Timothy J. Brodribb, Jody Ann Banks, Rainer Hedrich, Nadia M. Atallah, Chao Cai, Michael A. Geringer, Christof Lind, David S. Nichols, Kye Stachowski, Dietmar Geiger, and Frances C. Sussmilch, PNAS, 26. Oktober 2016, DOI: 10.1073/pnas.1606614113

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften der Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de