Versalzung führt weltweit zu Ernteausfällen. Die Pflanzen sterben oder ihr Wachstum wird gehemmt. Forscher der Wageningen University & Research (WUR) haben entdeckt, dass ein lokales Regulatorprotein das Wurzelwachstum in salzhaltigen Böden fördert, sodass sich die Pflanze unter diesen widrigen Bedingungen entwickeln kann.
Fast ein Viertel aller bewässerten Anbauflächen ist von Versalzung betroffen. Der steigende Meeresspiegel, zunehmende Trockenheit und steigende Temperaturen verschärfen dieses Problem noch. Salzhaltige Böden wirken sich nachteilig auf die Entwicklung von Seitenwurzeln aus, erklärt die Professorin für Pflanzenphysiologie Christa Testerink. “Pflanzen brauchen Seitenwurzeln, um Wasser und Nährstoffe aufzunehmen. Das Hormon, das das Wachstum der Seitenwurzeln steuert, heißt Auxin. Salz beeinträchtige die Fähigkeit der Pflanze, die Signale dieses Hormons zu erkennen, sodass die Entwicklung der Seitenwurzeln zurückgehe. Und weniger Seitenwurzeln bedeuten, dass die allgemeine Gesundheit der Pflanze leidet.”
Wechsel zwischen Hormon und Seitenwurzelwachstum
Wie kommt es, dass einige Pflanzenarten weniger unter Salzstress leiden als andere? Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Forscher den molekularen Mechanismus, der die Wurzelentwicklung in der Modellpflanze Arabidopsis, auch bekannt als Ackerschmalwand, steuert. Testerink: “Frühere Forschungen haben bereits gezeigt, dass das Protein LBD16 als Schalter zwischen dem Pflanzenhormon Auxin und der Entwicklung von Seitenwurzeln dient. LBD16 aktiviert die Gene, die für die Entwicklung von Seitenwurzeln verantwortlich sind. In salzhaltigem Boden würde man erwarten, dass die Funktion von Auxin beeinträchtigt wird, aber man würde auch erwarten, dass der Spiegel des LBD16-Proteins sinkt.”
Alternative Route entdeckt
Überraschenderweise ergaben die Untersuchungen, dass die Funktion von Auxin in der Ackerschmalwand in salzhaltiger Umgebung stark eingeschränkt war, während der LBD16-Spiegel anstieg. Testerink: “Dies deutet auf einen alternativen Weg hin, über den das Protein gesteuert wird und der es der Pflanze ermöglicht, unter salzigen Bedingungen weiterhin Seitenwurzeln zu bilden, wenn auch in geringerem Umfang. Wir konnten diesen Weg finden, indem wir einen anderen Aktivator, das ZAT6-Protein, entdeckten. Dieses Protein übernimmt die Rolle von Auxin als Regulator. Diese Entdeckung ist eine wichtige Grundlage für weitere Untersuchungen ähnlicher lokaler molekularer Netzwerke in Seitenwurzeln, die Pflanzen helfen, in Stresssituationen zu funktionieren. Nicht nur unter salzigen Bedingungen, sondern auch in Zeiten von Trockenheit oder Hitze. Dies könnte Pflanzenzüchtern helfen, das Wurzelwachstum der Pflanzen zu verändern, um widerstandsfähigere Sorten zu schaffen.”
Bei ihrer Suche nach dem LBD16-Aktivator setzten die Forscher maschinelles Lernen ein. Aalt-Jan van Dijk, Forscher in der Gruppe Bioinformatik, erklärt, wie diese Berechnungsmethode dazu beigetragen hat. Es gebe Zehntausende von möglichen Kandidaten, die LBD16 in einer Pflanze regulieren könnten. Man suche also nach einer Nadel im Heuhaufen. Eine gezieltere Suche wird durch Vorhersagen ermöglicht. ”Wir fütterten ein Machine-Learning-Modell mit Daten von Transkriptionsfaktoren aus Experimenten.” Das Modell nutzte dann Muster, um vorherzusagen, ob ein bestimmter Transkriptionsfaktor einen anderen reguliere oder nicht. Dadurch wird die Liste der möglichen Kandidaten eingegrenzt. “Durch die Durchführung experimenteller Tests konnten wir ZAT6 als neuen Regulator für LBD16 identifizieren.”
Die Kombination von experimentellen Daten und maschinellem Lernen sei neu in der Pflanzenforschung, sagt Van Dijk. Dieser Ansatz wird im Forschungsprojekt CropXR fortgesetzt. ”In CropXR werden wir im kommenden Jahrzehnt gemeinsam mit den Universitäten Utrecht, Delft und Amsterdam (UvA) an grundlegenden Erkenntnissen und Methoden für die Entwicklung widerstandsfähigerer Nutzpflanzen arbeiten. Wir werden unter anderem maschinelles Lernen in Kombination mit mechanistischen Methoden einsetzen. Dabei handelt es sich um Modelle, die Kenntnisse über die zugrunde liegenden physiologischen und zellulären Prozesse sowie über Ursache und Wirkung enthalten. Die Vorhersagen dieser Modelle können dann durch gezielte Experimente überprüft werden.”
Dürre und steigende Temperaturen
Bei CropXR liege der Schwerpunkt nicht so sehr auf der Versalzung, sondern auf anderen Herausforderungen, die sich aus dem Klimawandel ergeben, wie z.B. Hitze und Trockenheit, sagt Testerink. ”Ein weiteres Papier, das derzeit nur als Preprint verfügbar ist, beschreibt unsere Untersuchung des Wurzelwachstums von Pflanzen, die einer Kombination aus warmen Temperaturen und Wasserdefizit ausgesetzt sind. Wir haben mehrere molekulare Faktoren aufgedeckt, die dabei eine Rolle spielen. Um jedoch vorhersagen zu können, wie Pflanzen mit dieser Kombination von Stressfaktoren umgehen, ist eine umfangreichere Studie erforderlich. In den ersten fünf Jahren des CropXR-Projekts werden wir uns auf Arabidopsis konzentrieren. In den nächsten fünf Jahren werden wir die gewonnenen Erkenntnisse auf Nahrungspflanzen anwenden. Wir hoffen, dass wir so in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Praxis praktikable Lösungen entwickeln können.”
