Stomata sind Poren, die einzigartig für Pflanzen sind und auf der Epidermis der meisten Luftgewebe zu finden sind. Stomata fungieren als Torwächter, um den Eintritt von Kohlendioxid (CO₂) in das Blatt für die Photosynthese auf Kosten des Wasserdampfverlustes durch Transpiration. Das Öffnen und Schließen der Stomata wird durch Schutzzellen gesteuert, die anschwellen und schrumpfen, wenn Ionen in sie ein- bzw. aus ihnen herausbewegt werden (Abbildung 1).

Während der Stomaöffnung Osmotisch aktive gelöste Stoffe reichern sich in Schließzellen an, was die Konzentration der gelösten Stoffe erhöht, was zu einem größeren osmotischen Druck in der Zelle führt. Dieses Ungleichgewicht von gelösten Stoffen zwischen dem Inneren und Äußeren der Plasmamembran muss durch Wasserfluss in die Zelle ausgeglichen werden, was schließlich zu Änderungen des Turgordrucks führt. Ein Anstieg des Turgordrucks zwingt die Plasmamembran gegen die Zellwand, was zu einer Vergrößerung der Schutzzellen führt, die sich schließlich nach außen biegen, wodurch sich die Stomatapore öffnet. Wenn gelöste Stoffe die Schutzzellen verlassen, wird das Zellvolumen verringert, wodurch sich die Pore schließt. Schließzellenturgidität und Volumenänderungen als Reaktion auf verschiedene Umgebungsbedingungen wie atmosphärisches CO₂ Konzentration, Licht und Wasserverfügbarkeit. Schließzellen sind großartige Modellsysteme, um den Ionentransport zu untersuchen und die molekularen Verbindungen zwischen der Pflanzenphysiologie und der Umwelt zu analysieren.

Es gibt viele Studien, die das Zusammenspiel von Stomata und Umwelt untersuchen, aber die meisten konzentrieren sich auf ein einzelnes Umweltsignal, das auch oft über den Tag hinweg nicht variabel ist, wie zum Beispiel Lichtintensität oder Temperatur. In der Natur sind Pflanzen vielfältigen und kumulativen Auswirkungen des Klimawandels ausgesetzt, die oft widersprüchliche Umwelteinflüsse wie hohe Lichtintensität und Dürre kombinieren. Daher müssen Pflanzen die molekulare Mechanik von Stomata koordinieren, um ihr Wachstum und ihre Leistung unter einem bestimmten Umweltszenario sicherzustellen. In ähnlicher Weise müssen Pflanzen die komplizierten Signale entschlüsseln, die sich aus den im Laufe des Tages schwankenden Umgebungsbedingungen ergeben, z. B. wenn Wolken über sie ziehen oder von benachbarten Pflanzen beschattet werden. In einem solchen Fall passt sich die Photosynthesemaschinerie schnell an die Lichtverhältnisse an, während die Stomatareaktionen im Allgemeinen hinterherhinken, was entweder die Photosynthese weniger effizient macht oder einen übermäßigen Wasserverlust ermöglicht. Eine langsamere Reaktion der Spaltöffnungen auf Lichtschwankungen wirkt sich auf das Pflanzenwachstum und die Produktivität aus.

Die Pflanzenbewässerung macht etwa 70 % des Süßwasserverbrauchs auf dem Planeten aus, und ihre Nutzung hat sich in den letzten drei Jahrzehnten mit unhaltbaren Raten ausgeweitet. Wissenschaftler haben versucht, Wege zu finden, um Pflanzen mit weniger Wasser wachsen zu lassen, indem sie die Wassernutzungseffizienz maximieren – indem sie die maximale Menge an gebundenem Kohlenstoff pro verbrauchter Wassereinheit herauspressen. Die Reduzierung der Anzahl der Spaltöffnungen führt zu einem geringeren Wasserverlust. Solche Versuche können jedoch auf Kosten von COXNUMX-Reduzierung gehen₂ Aufnahme und damit reduzierte Wassernutzungseffizienz. Aus agronomischer Sicht wirkt sich dieser Ansatz negativ auf die Gewinnerträge aus und ist daher nicht nachhaltig. Darüber hinaus ist dieser Ansatz nur unter bestimmten Umweltszenarien von längerer Dauer, z. B. anhaltende Dürreperioden, die nicht unbedingt oft ein wahres Bild dessen sind, was im Feld vorgefunden wird.

Um diese inhärente Kopplung von CO zu umgehen₂ Aufnahme und Wasserdampfverlust, Papanatsiou et al. (2019) verwendeten Optogenetik, um ein synthetisches, durch blaues Licht aktiviertes K⁺ Ionenkanal namens BLINK in die Schließzellen der kleinen Senfpflanze Arabidopsis. Optogenetik ist eine etablierte Technik, die in den Neurowissenschaften verwendet wird, um die Aktivität von Ionenkanälen zu manipulieren und die Nervensignalübertragung durch die Verwendung eines Lichtreizes zu modulieren. Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass sie durch den Einsatz von Optogenetik den Ionentransport in Schließzellen von Stomata modulieren könnten, um die Bewegungen der Stomata als Reaktion auf schwankende Lichtverhältnisse besser zu synchronisieren und folglich die Pflanzenleistung zu verbessern (Abbildung 2).

Die Autoren zeigten, dass die Expression von BLINK in den Schließzellen von Arabidopsis eine K⁺ Fluss durch die Membran von Schließzellen unter Blaulichtbehandlungen. Das zusätzliche K⁺ Der durch das Vorhandensein von BLINK hervorgerufene Fluss führte zu schnelleren Änderungen beim Öffnen und Schließen der Stomata als Reaktion auf Licht. Tatsächlich benötigten Stomata, die das BLINK-Protein exprimierten, im Vergleich zu Kontrollpflanzen etwa die Hälfte der Zeit, um unter dem neuen Lichtregime eine Steady-State-Reaktion zu erreichen. Tatsächlich fungierte BLINK als Lichtschalter, der die Bewegungen der Stomata mit dem einfallenden Licht synchronisierte. Um das Potenzial des BLINK-Ansatzes weiter zu erforschen, züchteten die Autoren Pflanzen unter verschiedenen Lichtbedingungen und bewerteten Pflanzenwachstum und Biomasseproduktion. Pflanzen, die BLINK-Protein exprimieren, zeigten eine bessere Leistung, insbesondere unter schwankenden Bedingungen, die schnelle Anpassungen der Stomabewegungen erfordern. Tatsächlich hatten BLINK-exprimierende Pflanzen signifikant größere Rosetten und zeigten eine Verdopplung der Akkumulation trockener Biomasse im Vergleich zu den Kontrollpflanzen. Am wichtigsten ist, dass die gleichen Effekte auch sichtbar waren, wenn Pflanzen unter wasserbegrenzenden Bedingungen wuchsen.

Die Untersuchung Papanatsiou et al. (2019) befürwortet den Einsatz von Optogenetik zur Manipulation des Ionentransports in Pflanzenzellen. Der Ionentransport ist die treibende Kraft für Änderungen des Turgordrucks, die vielen Pflanzenprozessen wie Stomabewegungen und Morphogenese zugrunde liegen. Daher hat die Anwendung von optogenetischen Werkzeugen ähnlich wie BLINK ein großes Potenzial zur Verbesserung der Pflanzenleistung. Am wichtigsten ist, dass die Forschung den Einfluss des Stomaverhaltens auf die Pflanzenphysiologie und seine Auswirkungen auf die Pflanzenproduktivität hervorhebt. Die Manipulation der Kinetik der Stomata-Reaktionen wurde oft als vielversprechende Strategie diskutiert, um das Stomata-Verhalten mit der Wassernutzungseffizienz in Einklang zu bringen. Diese Studie validiert solche Vorschläge und hebt die Wirksamkeit der BLINK-Strategie hervor, um den Kompromiss zwischen Photosynthese und Transpiration auszugleichen und die Pflanzenleistung unter Lichtbedingungen zu verbessern, die typisch für das Wachstum im Freien sind. Die Herausforderung besteht nun darin, ob die in der Studie von Papanatsiou et al. kann in Getreide übersetzt werden. Stomata der meisten Hauptkulturen folgen den gleichen molekularen Regeln wie die des Arabidopsis-Pflanzenmodellorganismus. Die Autoren plädierten daher für BLINK oder ähnliche optogenetische Werkzeuge als wirksame Strategie zur Verbesserung der Pflanzenproduktivität unter schwankenden Lichtverhältnissen, die häufig in der Landwirtschaft anzutreffen sind.

Über Maria Papanatsiou

Mein Interesse an biologischer Forschung führte mich an die University of Glasgow, wo ich mein Grundstudium in Genetik abschloss. Ich setzte mein Postgraduiertenstudium in Molekular-, Zell- und Systembiologie fort und promovierte 2014 an der University of Glasgow. Meine Doktorarbeit konzentrierte sich auf das Zusammenspiel zwischen stomatalem Verhalten, Pflanzenphysiologie und Umwelt. Anschließend wechselte ich in die Gruppe von Prof. Nagy an die University of Edinburgh, wo ich meine Fähigkeiten im Bereich der Photobiologie erweiterte. Diese Arbeit untersuchte die molekularen Grundlagen der Signalübertragung über den Rotlichtrezeptor Phytochrom B. Anschließend kehrte ich nach Glasgow zurück, um mit ihm zu arbeiten Prof. Blatt und in Zusammenarbeit mit Prof. Christie, wo ich optogenetische Werkzeuge verwendet habe, um den Ionentransport in Stomata zu modulieren, um die Pflanzenphysiologie, das Wachstum und die Wassernutzung zu optimieren. Ich bin gerade als Postdoktorand tätig und  Prof. Amtmann mit dem Ziel, pflanzenphysiologische Reaktionen auf komplexe Umweltszenarien unter Verwendung von Arabidopsis- und Sojabohnenpflanzen zu entschlüsseln. Während meiner gesamten akademischen Karriere habe ich mich leidenschaftlich dafür eingesetzt Wissenschaftskommunikation und ich habe an mehreren Outreach-Aktivitäten teilgenommen und diese organisiert. Ich habe Kommentare zu den neuesten Entwicklungen in der Pflanzenwissenschaft verfasst und bin der Social-Media-Redakteur für die wissenschaftliche Zeitschrift Pflanze, Zelle und Umwelt.