Überlebenskünstler: Wiederauferstehungspflanzen überleben Austrocknen

Einige Pflanzen widersetzen sich extremer Trockenheit und sind voll physiologisch fit, sobald es regnet. Welcher Mechanismus steckt dahinter?

Es gibt eine kleine Gruppe von Pflanzen, die Monate ohne Wasser überleben können, um dann nach einem Regenguss wieder zu ergrünen. Diese Pflanzen nennt man »Wiederauferstehungspflanzen« oder »Resurrection plants«. Es handelt sich um Pflanzen, die in Gegenden mit saisonalem Regen vorkommen und ihren Wassergehalt der relativen Feuchtigkeit der Umgebung anpassen können. Die Pflanzen können mehrere Monate im ausgetrockneten Zustand verharren, und sobald Wasser verfügbar ist, ergrünen sie wieder (s. Foto).
Ein besonders gut erforschter Vertreter dieser Pflanzen ist Craterostigma plantagineum aus Afrika. Genomuntersuchungen dieser Pflanze haben gezeigt, dass Gene, die für Schutzproteine kodieren, stark exprimiert werden und im Genom in mehrfachen Kopien vorliegen. Diese Gene sind im Genom der meisten Pflanzen vorhanden, aber im Gegensatz zu den Wiederauferstehungspflanzen werden sie nur während der Samenentwicklung exprimiert. Dies ist nicht überraschend, denn auch viele Samen erlangen Trockentoleranz und bleiben im ausgetrockneten Zustand lebensfähig, das heißt, sie keimen, wenn Wasser verfügbar ist, aber die Trockentoleranz geht während der Keimung verloren. Somit ist die genetische Information für Trockentoleranz in den Genomen der meisten höheren Pflanzen präsent. Trockentoleranz ist also etwas, was die allermeisten Pflanzen vom genetischen Potential her »können«. Die Gene, die diese Fähigkeit vermitteln, sind vermutlich sehr früh im Laufe der Evolution entstanden. Jedoch sind diese Netzwerke in trockentoleranten Pflanzen leistungsfähiger und zudem nicht nur in bestimmten Phasen des Lebenszyklus aktiv.
Ein Beispiel für ein Schutzprotein, das an der Ausprägung von Trockentoleranz beteiligt ist, ist das ELIP-Protein (= early light inducible protein). Dieses Gen kommt in den Genomen der trockentoleranten Pflanzen in vielen Kopien vor, in C. plantagineum gibt es bis zu 200 Kopien, somit kann eine große Menge dieses Proteins sehr schnell synthetisiert werden. In nicht trockentoleranten Pflanzen kommen ELIP-Gene nur in ein bis drei Kopien vor. Was machen ELIPs? Diese Proteine schützen vor oxidativem Stress, der zu irreversiblen Zellschädigungen führt, sodass die Pflanze nicht mehr regenerieren kann. Pflanzen wie C. plantagineum behalten einen Teil des Photosynthese-Pigments Chlorophyll im ausgetrockneten Zustand, sie machen keine Photosynthese mehr, absorbieren aber Energie in Form von Licht, was zu oxidativem Stress führt. Es gibt eine Reihe weiterer Schutzproteine mit unterschiedlichen Funktionen wie zum Beispiel Stabilisierung von Membranen. Einige der Schutzproteine werden auch während der Samenentwicklung gebildet und schützen somit zelluläre Strukturen in den trockenen Samen vor dem Denaturieren. Trockentoleranz wird nicht von einem Gen bestimmt, sondern viele Gene müssen in einem Netzwerk zusammenwirken. 

Diese Forschung kann zeigen, warum einige Pflanzen bei Wassermangel nicht absterben. Langfristig können diese Erkenntnisse zur Züchtung von trockentoleranteren Nutzpflanzen wie Weizen oder Mais beitragen, was in Zeiten des Klimawandels von Bedeutung ist.

(Dorothea Bartels)