Forschungsprojekt
Hydrogele auf Blättern als eine Anpassungsstrategie von Pflanzen an Trockenstress?

Makroaufnahme Epistomaler Mucopolysaccharide

Kleine, hartlaubige Blätter mit verstärkter Cuticula und Blatthaaren gelten bei Pflanzen gemeinhin als Kennzeichen für eine erhöhte Toleranz gegen Trockenstress. Aber auch Pflanzen ohne diese Merkmale zeigen oftmals eine erstaunliche Anpassungsfähigkeit an Wassermangel, so dass weitere Faktoren für die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an Trockenstress in Betracht zu ziehen sind.
Saure Mucopolysaccharide (Proteoglykane) sind stark hydratisierbar und können Wasser bis zum Vielhundertfachen ihres Eigenvolumens gelartig fixieren. Sie sind seit langem als wesentlicher Bestandteil von Bindegewebe, Haut und Knorpel bei Tier und Mensch bekannt.

Ein neues Screeningverfahren für Trockenstress bei Pflanzen?

Seit den 1970er Jahren werden sie auch bei Pflanzenwurzeln und als „Hydrogelkissen“ im Bereich der Spaltöffnungen („epistomatal mucilage plugs“, EMP) an Blättern von Gehölzen gefunden (Westhoff et al. 2009a). EPM ermöglichen den Pflanzen die direkte Wasseraufnahme aus der Atmosphäre, vermindern die Transpiration und erhöhen die Photosyntheseleistung (Westhoff et al. 2009a). Während Baumarten wie Eukalyptus und Feige konstitutiv eine hohe Dichte dieser EPM aufweisen, wird sie bei Schwarzpappel und Weinrebe unter Trockenstress adaptiv erhöht (Westhoff et al. 2009a).

Die Erfassung der relativen Dichte der EMP auf Blättern könnte die Basis eines relativ einfachen Screening-Verfahrens sein, um das Adaptionsvermögen von spezifischen Pflanzenspezies und Sorten an Trockenstress zu validieren.

Methodik

Nach dem von Westhoff et al. (2009b) entwickelten Verfahren werden ganze Blätter im Labor mit Alcian Blue, einem spezifischen Reagenz für saure Mucopolysaccharide, im sauren Milieu gefärbt.
Dieses Verfahren wurde von unserer Arbeitsgruppe weiter entwickelt (noch nicht veröffentlicht). Die Entnahme repräsentativer Blattproben und das Anfärben mit Alcian Blue erfolgt in situ im Freiland nicht invasiv. In Abhängigkeit von der Blattgröße, kann ein Blatt in zeitlichen Abständen mehrmals beprobt werden. Reproduzierbare Versuchsreihen zeigen, dass die gefärbten Blattproben bis zur mikroskopischen Auswertung über längere Zeit stabil gelagert werden können.

Im Auflichtmikroskop werden die blau angefärbten Stomata mit EMP in Relation zur Gesamtzahl der Stomata pro Flächeneinheit erfasst. Diese Befunde können im Weiteren mit hydrologischen, phänologischen und ggf. weiteren Parametern korreliert werden.

Versuchsergebnisse

Blätter von Freilandreben der Sorten Silvaner, Riesling und Spätburgunder wurden in den Sommermonaten 2011 und 2012 auf EMP untersucht. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Dichte der EMP ist sortenspezifisch unterschiedlich ausgeprägt.
Beschattete Blätter zeigten weniger EMP/Flächeneinheit als besonnte Blätter.
An Sonnentagen werden mehr EMP/Flächeneinheit als an Tagen mit bedecktem Himmel festgestellt.
Insbesondere an Sonnentagen zeigt die EMP-Dichte einen diurnalen Verlauf. Sie nimmt im Verlauf des Tages bis in die Nachmittagsstunden erheblich zu und fällt während der Nacht annähernd auf das morgendliche Ausgangsniveau zurück.
Wie die histologischen Untersuchungen der EMP an Blattquerschnitten belegen, erstreckt sich die Blaufärbung vom epistomatären Bereich durch den Zentralspalt hindurch bis weit in die substomatäre Höhle hinein.

Diskussion

Zoombild vorhanden

Blaufärbung der Spaltöffnung im Blattquerschnitt

Die Befunde, dass die untersuchten Rebsorten EMP in unterschiedlicher Intensität ausprägen, sind konform mit den differenten phänotypischen Ausprägungen von Trockenstresssymptomen dieser Rebsorten in der weinbaulichen Praxis. Die ausgeprägte Dynamik der EMP-Dichte während der diurnalen Zyklen wirft allerdings Fragen bezüglich der dabei involvierten biochemischen und physiologischen Mechanismen auf. Mucopolysaccharide sind außerordentlich große und komplexe Verbindungen. Für deren Synthese, deren Transport durch die Zellwand oder Aktivierung sind von den Pflanzen erhebliche Stoffwechselleistungen, gerade auch unter Bedingungen des Trockenstress zu erbringen.
Der Nachweis von sauren Mucopolysacchariden mittels der Alcian Blue-Färbung ist ein allgemein anerkanntes Verfahren in der Histologie tierischer und menschlicher Gewebe. Jedoch ergibt sich vor dem Hintergrund der dargestellten Befunde und der dabei aufgeworfenen Fragestellungen die Notwendigkeit, die chemische Struktur der mit Alcian Blue auf den pflanzlichen Zelloberflächen färbbaren Stoffklasse zweifelsfrei darzustellen. Nur auf dieser Basis können die beobachteten Phänomene interpretiert und gegebenenfalls darauf aufbauend ein sehr einfaches Verfahren zur Validierung der Toleranz von Pflanzen gegen Trockenstress entwickelt werden. Derzeit (2014) werden Verfahren und Methoden eruiert, diese mit Alcian Blue färbbaren Verbindungen zu identifizieren.

Literatur

Westhoff, M., Zimmermann D., Zimmermann G., Gessner P., Wegner L. H., Bentrup F. W., Zimmermann U. 2009a. Distribution and function of epistomatal mucilage plugs. Protoplasma 235: 101-105
Westhoff, M., Reuss, R., Zimmermann D., Netzer Y., Gessner A., Geßner P., Zimmermann G., Wegner L. H., Bamberg E., Schwartz A., Zimmermann U. 2009b. A non-invasive probe for online-monitoring of turgor pressure change under field conditions. Plant Physiology 11: 701-712

Projektdaten

Projektbearbeitung: Josef V. HERRMANN
Laufzeit: 01.04.2014 bis 31.03.2016