Einbahnstraße für das Salz

Ein Anstieg der Weltbevölkerung bedeutet zugleich einen erhöhten Bedarf an Nahrungsmitteln, der einen Anstieg der landwirtschaftlichen Flächen beinhalten kann. Mehr Landwirtschaft führt jedoch besonders für Nutzpflanzen, wie Mais und Weizen – vor allem in trockenen Regionen – zu vermehrter Bewässerung. Diese führt bei gleichzeitiger Düngung zur Versalzung der Anbaufläche. Um versalzte Böden nutzen zu können, sind Pflanzen von großem Interesse, die von Natur aus salztolerant sind. Zu diesen sogenannten Halophyten zählt das Pseudogetreide Quinoa (Chenopodium quinoa). Quinoa stammt aus den Anden und ist eine äußerst robuste Pflanze. In dem südamerikanischen Gebirge wird das getreideähnliche Gewächs seit 7000 Jahren als Nahrungsmittel genutzt. Die glutenfreien und vitaminreichen Samen haben es mittlerweile auch in die Regale europäischer Supermärkte geschafft.

Quinoa entgiftet Salz mittels Blasenzellen

Die vitamin- und mineralreiche Quinoa bildet Blasenhaare aus, in die das Salz verfrachtet wird. Durch diese morphologische Anpassung wird die Pflanze tolerant gegenüber Salzbelastung. Diese Salzendlager auf der äußeren Zellschicht der Blätter verhindern, dass sich im Blatt giftige Natriumchlorid-Konzentrationen (NaCl-Konzentrationen) – auch als Kochsalz bekannt – anreichern. Unter der Leitung von Professor Rainer Hedrich der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) hat ein internationales Team von Wissenschaftler aus München, Genua (Italien), Hobart (Australien), Shanghai (China) und Riad (Saudi Arabien) nun entschlüsselt, wie Blasenzellen als Salzspeicher arbeiten. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Zeitschrift Current Biology.

Salz-Transport vom Boden in die Salzblase

Wenn Quinoa salzigen Böden ausgesetzt ist, gelangen Natrium- und Chloridionen aus der Wurzel über Spross und Blätter in die Salzblasen, wo sie ihr Ziel in der Speichervakuole finden. Auf dem Weg in die Salzblasen müssen die Ionen diverse Membranbarrieren überwinden. Dies erfolgt über Transportproteine, die auf Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) spezialisiert sind.

Im Vergleich zu nicht-salztoleranten Kulturpflanzen, müssen bei Quinoa diese Transportproteine bei steigender Salzbelastung nicht erst neu zusammengebaut werden, sondern sind bereits vorhanden, bevor der Stress einsetzt. „Diese Strategie ermöglicht es Quinoa, das plötzlich auftretende Salz ohne weitere genregulatorische Schritte direkt zur Einlagerungsstätte transportieren zu können“, sagt Hedrich.

Natriumkanal arbeitet nur in eine Richtung

Die Eigenschaften dieses Natriumkanals gewährleisten nicht nur, dass Natriumionen stetig aus dem Blatt in die Blasenzellen aufgenommen und in hohem Maße konzentriert werden können. „Das Besondere ist, dass selbst unter sehr hohen eingelagerten Natriumkonzentrationen ein Rückfluss des Natriums – und somit ein Auslaufen in die Blätter – vermieden wird“, sagt Dr. Jennifer Böhm, Erstautorin der Publikation. Der Natriumkanal arbeitet also wie ein Sicherheitsventil und ist die Schlüsselkomponente der Salzendlagerung in den Salzblasen.

Ist das Kochsalz in den Blättern, müssen die Na+- und Cl--Ionen über die Plasmamembran in den Zellsaft (Zytosol) der Salzblasen transportiert werden. Ebenso wie für das Natriumion wird ein gerichteter Chlorid-Transport in die Zelle sichergestellt.

In Pflanzen sind steigende Natriumchlorid-Konzentrationen im Zytosol toxisch für viele Stoffwechselprozesse. Daher lagert Quinoa das Salz in der dem Stoffwechsel abgelegenen und membranumgrenzten Vakuole ein. Diese zweite Membran, die Natrium- und Chloridionen überqueren müssen, nennt man Tonoplast. Auch hier erfolgt der Transport der Salzkomponenten nur in eine Richtung, wie bei einer Einbahnstraße.

Transfer in das Endlager muss noch erforscht werden

„Diese Arbeit hat uns wichtiges Grundwissen gebracht, um in Zukunft gezielt die Züchtung von salztoleranten Kulturpflanzen anzugehen“, sagt Hedrich. „Wir haben jetzt die molekularen Komponenten der Salzeinlagerung geklärt. In weiteren Forschungen wollen wir nun herausfinden, wie der Transfer des Salzes aus dem Blatt an den Endspeicherort funktioniert“, sagt Böhm. Der Transfer erfolgt über eine kleine tunnelartige Verbindung, den stielähnlichen Zellen zwischen Salzblasen und Blattepidermis.

Originalpublikation

Understanding the Molecular Basis of Salt Sequestration in Epidermal Bladder Cells of Chenopodium quinoa, Jennifer Böhm, Maxim Messerer, Heike M. Müller, Joachim Scholz-Starke, Antonella Gradogna, Sönke Scherzer, Tobias Maierhofer, Nadia Bazihizina, Heng Zhang, Christian Stigloher, Peter Ache, Khaled A.S. Al-Rasheid, Klaus F.X. Mayer, Sergey Shabala, Armando Carpaneto, Georg Haberer, Jian-Kang Zhu und Rainer Hedrich, https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.08.004https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.08.004 

Kontakt

Dr. Jennifer Böhm, Lehrstuhl für Botanik I - Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik
T.: +49 931 31-89206, jennifer.boehm@uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I - Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik T.: +49 931 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de