Wie überstehen durstige Pflanzen Dürren?

19. März 2026

Wie überstehen durstige Pflanzen Dürren?

Wissenschaftler des Salk Institute erstellen einen hochauflösenden Atlas, der zeigt, wie sich Dürren auf Pflanzenzellen auswirken, und identifizieren ein Gen, das gezielt eingesetzt werden könnte, um widerstandsfähigere Nutzpflanzen zu erzeugen

19. März 2026

• Highlights
• Salk-Wissenschaftler debütieren mit Genexpressionsatlas von Pflanzenblättern im Verlauf der Entwicklung und vergleichen normale mit trockenen Bedingungen
• Der Atlas zeigt, dass Trockenheit die Alterung von Blättern beschleunigt, und identifiziert ein Gen, das Blättern hilft, unter Stress weiter zu wachsen
• Die Studie ebnet den Weg zu trockenheitstoleranteren Pflanzen, die die Erträge schützen und die Verluste der Landwirte in milden Dürreperioden verringern würden

LA JOLLA - Die Vereinigten Staaten und Mexiko befinden sich seit der Jahrhundertwende in einer historischen Megadürre. Seit mehr als 25 Jahren ist der amerikanische Südwesten mit den schwerwiegenden sozialen und wirtschaftlichen Folgen dieser Megadürre konfrontiert - allein in Kalifornien werden im Jahr 2021 landwirtschaftliche Verluste in Höhe von $1,1 Mrd. entstehen. Wie können wir angesichts dieser Bedingungen den Nutzpflanzen helfen, die Dürre zu überstehen und gleichzeitig die Ertragsverluste zu minimieren?

Wissenschaftler des Salk-Instituts erstellten Profile von fast einer Million Zellen aus den Blättern von Arabidopsis thaliana, einer kleinen blühenden Pflanze, die im Labor als Ersatz für wichtige Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Reis dient. Das Team hat die Veränderungen der Genexpression in diesen Zellen in verschiedenen Trockenheitsstufen und Blattentwicklungsstadien gemessen und die Daten in einem öffentlichen Atlas zusammengestellt.

Der neue Atlas zeigt, dass Trockenheit die Blattalterung beschleunigt, dass aber ein bestimmtes Gen das Blattwachstum während der Trockenheit retten kann.

Die Studie, veröffentlicht in Natur-Pflanzen am 19. März 2026, liefert einen Fahrplan, der Forschern helfen könnte, Pflanzensorten zu entwickeln, die ihr Wachstum bei Trockenheit besser aufrechterhalten.

“Wir zerkleinern schon seit langem Blätter und untersuchen die allgemeine Genexpression. Dies ist das erste Mal, dass wir die Trockenheit mit einer zelltypspezifischen Auflösung untersuchen”, sagt Joseph Ecker, PhD, Hauptautor der Studie, Professor und Inhaber des Salk International Council Chair in Genetics in Salk und Howard Hughes Medical Institute Investigator. “Wir stoßen an die Grenzen dessen, was bekannt ist, und dieser Atlas bietet einen wirklich kritischen Blick darauf, wie Pflanzen durch ihre Umwelt beeinflusst werden”.”

Bin ich wegen toter Blätter ein schlechter Pflanzenerzieher?

Pflanzen durchlaufen Zyklen von Tod und neuem Leben, wenn alte Blätter abfallen und neue sprießen. Dieser Prozess des Alterns und der Entwicklung ist viel flexibler als bei Menschen - Pflanzen können den Alterungsprozess je nach Situation verlangsamen, anhalten oder beschleunigen. Bei extremen Witterungsbedingungen wie Trockenheit zum Beispiel beginnen die Pflanzen, schnell zu altern und werfen ältere Blätter ab, während sie das Wachstum neuer Blätter verlangsamen. Auf diese Weise schont die Pflanze ihre Ressourcen und bleibt am Leben.

Zum Leidwesen der Landwirte schadet diese Taktik der Produktivität und den Ernteerträgen insgesamt, was zu wirtschaftlichen Verlusten führt. Während diese Stressreaktion, die durch eine rasche Alterung und verlangsamte Erneuerung gekennzeichnet ist, gut dokumentiert ist, sind die genetischen Grundlagen des Blattwachstums bei Trockenheit noch unbekannt.

“Wenn wir feststellen können, wie Pflanzen ihr Wachstum als Reaktion auf Umweltstress fein abstimmen, können wir diese Informationen möglicherweise nutzen, um neue Pflanzensorten zu entwickeln, die ihre Produktivität unter wasserarmen Bedingungen aufrechterhalten - eine zunehmend wichtige Herausforderung, da Dürren immer häufiger werden”, sagt Joseph Swift, PhD, Erstautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand in Eckers Labor.

Was passiert im Inneren der Blätter bei Trockenheit?

Hinter der Identität und dem Verhalten einer jeden Zelle steht ein genetisches Programm. In jeder Zelle gibt es viele Gene, aber nur eine ausgewählte Anzahl wird je nach den einzigartigen Bedürfnissen des jeweiligen Zelltyps ausgedrückt. Blätter enthalten viele verschiedene spezialisierte Zellen - solche für den Wassertransport, die Photosynthese, die Bildung der Blatthaut und so weiter. Studien, die die Genexpression im gesamten Blatt untersuchen, übersehen diese Unterschiede zwischen den Zelltypen.

Um dieses Problem zu lösen, erstellten die Salk-Forscher einen Genexpressionsatlas mit einer Auflösung von einem einzigen Zellkern. Das Team untersuchte 1.226 Arabidopsis Blätter, insgesamt knapp eine Million Zellkerne, darunter normal gewachsene und bewässerte Pflanzen und Pflanzen, die der Trockenheit ausgesetzt waren, in verschiedenen Entwicklungsstadien.

Als die Forscher die Genexpressionsprofile all dieser Zellen verglichen, stellten sie fest, dass die Blätter während der neuntägigen Trockenheit schneller alterten, was zu kleineren Blättern führte. Genprogramme, die mit der Reifung und Alterung der Blätter zusammenhängen, wurden durch den Trockenstress früher als normal aktiviert. Je schlechter die Trockenheitsbedingungen waren, desto intensiver war die Expression von Genen, die mit der Alterung zusammenhängen.

Die alternden Genprogramme waren in den für die Photosynthese zuständigen Blattzellen, den Mesophyllzellen, besonders ausgeprägt. Sie fanden auch heraus, dass ein bestimmtes Gen, Eisen(III)-Reduktions-Oxidase 6 (FRO6), die Arabidopsis Blattgröße bei Trockenheit.

Das Team war besonders erfreut über die Entdeckung, dass die Pflanze, wenn sie die Expression von FRO6 in Mesophyllzellen erhöhte, das Blattwachstum unter Trockenstress teilweise aufrechterhalten konnte.

Könnten trockenheitstolerante Pflanzen den Landwirten helfen?

“Wenn wir versuchen, Trockenheitsresistenz zu erzeugen”, erklärt Swift, “verkümmert die Pflanze normalerweise, weil man ihr im Grunde genommen sagt, dass sie nicht wachsen soll. Das ist natürlich nicht das, was wir auf dem Feld wollen. FRO6 könnte eine Möglichkeit sein, die Pflanzen zu ermutigen, auch bei leichten Dürreperioden weiter zu wachsen, was für die Landwirte wichtige Ernteerträge sichern würde.”

Diese Erkenntnisse haben das Potenzial, die Art und Weise, wie Nutzpflanzen mit Trockenheit umgehen, neu zu gestalten und sie widerstandsfähiger zu machen, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen. Die Ergebnisse ergänzen auch eine andere aktuelle Studie aus Eckers Labor, in der eine verstärkte Immunreaktion beschrieben wurde, die Pflanzen nach einer Dürre auslösen. Dürre-induzierte Immunität (DRII).

“Unsere frühere Studie, die im letzten Sommer veröffentlicht wurde, erklärte, wie sich Pflanzen von der Trockenheit erholen, und jetzt wissen wir, wie sie darauf reagieren während die Dürre”, sagt Ecker. “Von hier aus können wir Strategien entwickeln, wie wir robustere Nutzpflanzen schaffen können, die diesen ökologischen Herausforderungen besser standhalten, um die weltweite Nahrungsmittelversorgung zu schützen.”

Andere Autoren und Finanzierung

Weitere Autoren sind Xuelin Wu, Jiaying Xu, Carl Procko, Tanvi Jain, Natanella Illouz-Eliaz, Joseph Nery und Joanne Chory von Salk. Die Arbeit wurde von der Life Science Research Foundation, der American-Australian Association und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt.

DOI: 10.1038/s41477-026-02254-3