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Stress im Zweikammersystem

Pflanzen verraten, wie sie auf Dürre, Frost oder andere Klimaextreme reagieren

Freiburg, 19.10.2017

Stress im Zweikammersystem

Foto: Klaus Polkowski

Ein Mikroskop macht den Aufbau einer Pflanze sichtbar, zeigt die Zellen ihrer Blätter sowie das darin liegende Chlorophyll. Das war es dann aber auch schon. Die Forschungsarbeit von Christiane Werner, Professorin für Ökosystemphysiologie an der Universität Freiburg, geht viel tiefer. Für ihre Analysen hat Werner einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) bekommen, der mit 1,8 Millionen Euro dotiert ist. Das zehnte Jubiläum der ERC-Grants und ihre 50 Preisträgerinnen und Preisträger feiert die Albert-Ludwigs-Universität mit einem Einblick in ausgewählte Projekte: Eine Serie stellt zehn Köpfe im Porträt vor.


In den zwei aneinandergebauten Lichtkammern untersuchen die Forschenden, wie sich veränderte Klimabedingungen auf die Vegetation auswirken. Foto: Klaus Polkowski

Die Biologin identifiziert zunächst die intramolekularen Stoffwechselwege einer Pflanze – sowohl das, was in deren Innerem verstoffwechselt wird, als auch das, was die Pflanze in die Atmosphäre abgibt. Werner treibt ihre Forschung aber noch ein Stück weiter: Sie will nicht nur verstehen, wie Pflanzen im Normalzustand arbeiten, sondern auch, wie sie auf Stress – verursacht durch Dürre, Frost oder anderen Klimaextreme – reagieren. Spektakulär ist, dass Werner diese Substanzen an lebenden Pflanzen analysiert und die einzelnen Moleküle nicht mehr aus zusammengesammelten Blättern heraussynthetisieren muss, um sie messen zu können.

Den ERC-Grant hatte die Forscherin schon im Gepäck, als sie 2015 aus Bayreuth nach Freiburg kam. Seit ihrer Diplomarbeit erforscht die Biologin Anpassungsstrategien von Pflanzen. „Es ist einfach unglaublich, wie viel Pflanzen aushalten und abpuffern können“, sagt sie. Ihre Doktorarbeit schrieb Werner an der Universität Bielefeld. Im Anschluss an eine Postdoc-Stelle in einem Netzwerk der Europäischen Union zu stabiler Isotopen-Ökologie übernahm sie eine Assistentenstelle und wandelte diese in eine Juniorprofessur für Ökophysiologie um. 2012 folgte sie einem Ruf der Universität Bayreuth auf die Professur für Agrarökosystemforschung.

Wenn Pflanzen diskriminieren

Wenn Werner über ihre Arbeit spricht, fallen immer wieder Wörter wie „super spannend“ und „cool“. Was sie macht, begeistert sie. Der ERC ermögliche es einem, auch mal „abgefahrene Dinge“ zu erforschen. Und ein bisschen abgefahren ist das, was Werner vorhat, in der Tat. Im Erdgeschoss ihres Instituts am Flugplatz stehen zwei aneinandergebaute Lichtkammern, in denen jeweils sieben Glasgefäße, so genannte Küvetten, in Halterungen hängen – mit der Öffnung nach unten, sodass man von unten Pflanzen in sie hinein schieben kann.


Christiane Werner schiebt eine Pflanze in die Küvette. Somit lassen sich das hinein- und herausströmende Kohlendioxid samt seiner Isotopenwerte sowie die Duftmoleküle messen, die von der Pflanze ausgehen. Foto: Klaus Polkowski

In einer der Kammern stehen drei Messgeräte. Werner erklärt: „Zwei der Geräte messen das in die Küvette hinein- und herausströmende Kohlendioxid samt seiner Isotopenwerte. Das dritte Gerät – das so genannte PTR-MS-TOF – misst alles, was die Pflanze sonst noch an flüchtigen organischen Elementen in die Luft abgibt.“ Wie Duftmoleküle, Oxidantien. Volatile Organic Compounds, kurz VOC, heißen diese auf Englisch, und auch sie haben Isotope. Innerhalb eines chemischen Elementes sind nicht alle Atomkerne gleich. Sie enthalten zwar immer die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen. Diese verschiedenen Spielarten werden Isotope genannt. Sie sind mal leichter, mal schwerer. Die Isotopenverhältnisse weisen darauf hin, ob eine Pflanze Stress hat. Einem Menschen ist es egal, wie viel schwere und leichte Sauer- und Wasserstoffisotope in einem Glas mit Wasser schwimmen. Einer Pflanze nicht. „Ein für die Photosynthese zentrales Enzym mag die schweren Kohlenstoffisotope nicht“, erklärt Werner. „Geht es der Pflanze gut, diskriminiert sie diese bei der Kohlendioxidaufnahme. Geht es ihr schlecht, diskriminiert sie weniger.“ Das seien deutliche Signale, und diese misst sie. In den Blättern, in den Ästen, im Zuckersaft und in den VOCs.

Verhaltensmuster und Versuchsreihen

Um noch besser verstehen zu können, wie Pflanzen unter Stress reagieren, werden die Blätter in den Küvetten mit Pyruvat gefüttert. Pyruvat ist eine C3-Gruppe, besteht also aus drei Kohlenstoffatomen und kommt in der Pflanze auch als Stoffwechselprodukt vor, zum Beispiel beim Abbau eines C6-Zuckermoleküls. Verstärkt wird der Effekt noch dadurch, dass hochmarkiertes Pyruvat eingesetzt wird, also mit möglichst vielen schweren Kohlenstoffisotopen.

Spannend ist, was dann passiert: Wie baut die Pflanze das Pyruvat in ihren Stoffwechsel ein? Wie zerlegt sie die Moleküle, und wo steckt sie den abgespaltenen Kohlenstoff hin? Bleibt es in der Pflanze, oder wird das Pyruvat veratmet? Und wenn ja, wie viel der drei Kohlenstoffatome werden abgespaltet und werden als VOCs in die Luft abgegeben? Werner und ihr Team schreiten so die Stoffwechselwege der Pflanze ab und leiten davon klare Verhaltensmuster ab. Noch laufen die Versuchsreihen in den Küvetten. Werner hat allerdings Großes vor. Im Rahmen ihres ERC will sie nach Arizona/USA. Dort steht Biosphere 2, ein Kuppelbau, in dessen Innern ein geschlossenes, 1,6 Hektar großes Ökosystem wuchert. Dort will sie erforschen, wie Pflanzen und Atmosphäre interagieren. In einem guten Jahr soll es so weit sein.

Stephanie Streif

 

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