Die Versalzung der Böden betrifft nach Angaben der Vereinten Nationen weltweit 20-40% des Ackerlandes. Dieser Prozess ist größtenteils auf menschliche Aktivitäten und den Klimawandel, insbesondere den Anstieg des Meeresspiegels, zurückzuführen. Während der menschliche Körper Natrium benötigt, um zu funktionieren, ist dies bei Pflanzen nicht der Fall. Überschüssiges Salz um ihre Wurzeln herum blockiert allmählich ihren Zugang zu Wasser, verlangsamt ihr Wachstum, vergiftet sie und treibt sie in den Tod. Jedes Jahr werden so zehn Millionen Hektar landwirtschaftliche Nutzfläche durch die Versalzung der Böden zerstört, was die weltweite Ernährungssicherheit gefährdet.
Wissenschaftler der EPFL und der Universität Lausanne (UNIL) haben gemeinsam mit akademischen Partnern aus Spanien beobachtet, wie das 1996 identifizierte Gen "Salt Overly Sensitive 1" (SOS1) Pflanzenzellen vor Salz schützt. Das Team aus Biologen und Ingenieuren erstellte beispiellose Bilder mithilfe der Ionenmikrosonde CryoNanoSIMS(Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Mit diesem weltweit einzigartigen kryogenen Mikroskopieinstrument können sie genaue Bilder davon erhalten, wo ein bestimmter Nährstoff in einer Zell- oder Gewebeprobe gespeichert oder verwendet wird. Ihre Beobachtungen zeigen, dass der Ionentransporter SOS1 bei hohem Salzstress das Natrium nicht mehr entfernt, sondern dazu beiträgt, es im Zellinneren in Strukturen, den sogenannten Vakuolen, aufzuladen. Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass neue Strategien für die Lebensmittelsicherheit eingesetzt werden könnten, wenn es gelingt, diesen Mechanismus besser zu verstehen und zu erkennen, warum bestimmte Arten gegenüber Natrium resistenter sind. Ihre Ergebnisse wurden soeben in Nature veröffentlicht.
Wir können nun sehen, wohin Natrium bei verschiedenen Salzstressniveaus transportiert wird - etwas, das wir in dieser Auflösung zuvor nicht tun konnten
Priya Ramakrishna, Postdoktorandin am Laboratorium für biologische Geochemie (LGB)
Erster visueller Beweis
"Unsere Forschung liefert den ersten visuellen Beweis auf zellulärer Ebene für den Mechanismus, mit dem sich Pflanzen gegen einen Natriumüberschuss verteidigen", erklärt Priya Ramakrishna, Erstautorin der Studie und Postdoktorandin am Laboratorium für biologische Geochemie (LGB) der EPFL. "Zuvor basierten Hypothesen zu diesem Mechanismus auf indirekten Beweisen. Jetzt können wir sehen, wohin Natrium bei verschiedenen Salzstressniveaus transportiert wird - etwas, das wir in dieser Auflösung zuvor nicht tun konnten". Das gemeinsame Team der EPFL und der Universität Lausanne führte mit dem neu entwickelten CryoNanoSIMS-Instrument, das chemische Bilder von biologischem Gewebe mit einer Auflösung von 100 Nanometern liefert, Beobachtungen mit beispielloser Genauigkeit durch. In diesem Fall erhielt sie Bilder von Proben von Pflanzenwurzeln, die in einem Bad aus flüssigem Stickstoff eingefroren und unter Vakuum bei sehr niedrigen Temperaturen gehalten worden waren, um alle Elemente an ihrem Platz im Gewebe zu erhalten.Mit diesem Ansatz konnten einzelne Pflanzenzellen kartiert und festgestellt werden, wo Schlüsselelemente wie Kalium, Magnesium, Kalzium und Natrium in den Wurzelspitzen einer Testpflanze, der Frauenaralie, gespeichert sind, und zwar genau in dem Teil der Pflanze, der als "Wurzelapikalmeristem" bekannt ist. Dieser enthält die Stammzellen, die für die Entwicklung des Wurzelsystems der Pflanze verantwortlich sind. Die Bilder der CryoNanoSIMS zeigten den Zustand der Wurzel unter zwei verschiedenen Salzstressbedingungen.
Änderung der Strategie
Bei leichtem Salzstress gelingt es den Zellen, den Eintritt von Natrium zu verhindern. Bei starkem Salzstress beobachtete das Team einen Strategiewechsel: Anstatt das Natrium wie erwartet abzuleiten, trug der SOS1-Transporter dazu bei, es in Vakuolen zu sequestrieren, die normalerweise dazu dienen, unerwünschte Produkte zu lagern. "Dieser Abwehrmechanismus hat den Nachteil, dass er energieintensiv ist und daher das Wachstum der Pflanze verlangsamt, ihre Leistung hemmt und sie zum Tod führt, wenn der Salzstress anhält", erklärt Priya Ramakrishna. Das Forschungsteam bestätigte seine Beobachtungen, indem es die gleichen Experimente mit mutierten Proben durchführte, denen das SOS1-Transportergen fehlte. Diese erwiesen sich als unfähig, Natrium in die Vakuolen zu transportieren. Dieses Experiment bestätigte die hohe Empfindlichkeit von SOS1 gegenüber Salz. Die Wissenschaftler führten diese Tests auch an Proben von Reiswurzeln - der weltweit am weitesten verbreiteten Kulturpflanze - durch und stellten fest, dass auch in diesem Fall bei hohem Salzstress Natrium in die Vakuole transportiert wurde.
Durch diese wirklich interdisziplinäre Art der Zusammenarbeit können wir den Ort mit der Funktion von Prozessen und Mechanismen in Verbindung bringen, die noch nie zuvor beobachtet wurden
Anders Meibom, ordentlicher Professor an der Universität Lausanne und der EPFL
Den Ort mit der Funktion verbinden
Für Priya Ramakrishna, eine ausgebildete Pflanzenbiologin, ändert die chemische Bildgebung, die durch das CryoNanoSIMS-Instrument ermöglicht wird, die Situation völlig. Darüber hinaus könnte die Ionensonde genutzt werden, um zu untersuchen, wie sich Pflanzen gegen andere Bedrohungen wie Schwermetall- und Mikrobenverschmutzung schützen. "Dank dieser Art von wirklich interdisziplinärer Zusammenarbeit, d. h. einer Mischung aus Biologie und Ingenieurwesen, können wir den Ort mit der Funktion von Prozessen und Mechanismen verbinden, die noch nie zuvor beobachtet wurden", erklärt der korrespondierende Autor Anders Meibom, ordentlicher Professor an der Fakultät für die architektonische und gebaute Umwelt der EPFL und an der Fakultät für Geowissenschaften und Umwelt der Universität Lausanne. Das CryoNanoSIMS-Instrument wurde in seinem Labor entwickelt.Niko Geldner, korrespondierender Koautor des Artikels und Leiter des Forschungsteams an der Fakultät für Biologie und Medizin der Universität Lausanne, ist ebenfalls begeistert von der Zusammenarbeit: "Pflanzen sind grundsätzlich auf die Extraktion mineralischer Nährstoffe aus dem Boden angewiesen, aber wir waren nie in der Lage, den Transport und die Akkumulation mit ausreichender Auflösung zu beobachten. Die CryoNanoSIMS-Technologie macht dies endlich möglich und verspricht, unser Verständnis der Pflanzenernährung über das Salzproblem hinaus zu verändern. Christel Genoud, Koautorin des Artikels und Direktorin des Centre d’imagerie Dubochet, fügt hinzu: "Diese Technik eröffnet einen völlig neuen Horizont in der Bildgebung biologischer Gewebe und bringt unsere Institutionen in eine führende Position in diesem Grenzbereich".
