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The role of nitric oxide in survival of low oxygen stress in plants

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Die Auswirkungen von Fluten auf Pflanzenwurzeln

Wissenschaftler haben untersucht, wie die Wurzeln von Anbaupflanzen auf Flutperioden reagieren, um gute Ernten sicherstellen zu können.

Klimawandel und Umwelt

Pflanzen leiden während Fluten unter einem Sauerstoffmangel und der daraus resultierende Energieproduktionsrückgang kann sich in erheblicher Weise auf die Produktion von Anbaupflanzen auswirken. Pflanzen reagieren in verschiedener Weise auf einen Sauerstoffmangel. Hierzu zählen Veränderungen von Form und Struktur sowie Änderungen bei der Genexpression und des Stoffwechsels. Obwohl intensiv an den Mechanismen geforscht wurde, die Pflanzen ermöglichen, einen Sauerstoffmangel zu erkennen und auf diesen zu reagieren, ist nach wie vor nur wenig über diese bekannt. Es ist jedoch bekannt, dass ein Sauerstoffmangel in der Wurzel zu einem erheblichen Rückgang an Stickstoffmonoxid (NO) führt. Das kleine lipophile freie Radikal wird in nahezu jedem Organismus synthetisiert und fungiert als Signalmolekül. Die Stickstoffmonoxidreduktase und mitochondriale Wege von Pflanzen sind die gängigsten Stickstoffmonoxidquellen während einer Hypoxie (Sauerstoffdefizit). Ferner sind Hämoglobine der Klasse 1 wichtig, um die NO-Bestände während einer Hypoxie abzuschöpfen. Daher wurde das Projekt TRNOILOS (The role of nitric oxide in survival of low oxygen stress in plants) mit dem Ziel eingerichtet, zu untersuchen, welchen Beitrag Stickstoffmonoxid für die Regulation des Pflanzenstoffwechsels leistet. Forscher untersuchten die Bedeutung von Stickstoffmonoxid unter aeroben Bedingungen in Gerstenwurzeln und verglichen Wildtyppflanzen mit Pflanzen mit einer Überexpression nicht symbiotischen Hämoglobins 1 (Hb+). Die Forschungsarbeit zeigte, dass NO unter aeroben Bedingungen wichtig für die Homöostase von Sauerstoff sowie reaktiver Sauerstoffspezies ist. Hierdurch fiel Stickstoffmonoxid eine regulatorische Funktion zu, die über die unter hypoxischen Bedingungen festgestellte Funktion hinausgeht. Pflanzen, die einer Flutperiode ausgesetzt waren, müssen eine potenziell schädigende Reoxygenierungsphase durchlaufen, während der das Niveau reaktiver Sauerstoffspezies steigen kann. Die Projektpartner haben daher unter Verwendung von Setzlingen des Modellorganismus Arabidopsis die Auswirkungen von unter sauerstoffarmen Bedingungen produzierten Stickstoffmonoxids auf diesen Prozess untersucht. Die Resultate legten nahe, dass unter übergangsweise hypoxischen Bedingungen produziertes NO Pflanzen während der darauffolgenden Reoxygenierungsphase durch antioxidante Mechanismen schützt. Des Weiteren wurde eine Untersuchung der Auswirkungen der mitochondrialen NO-Produktion auf die Mitochondrien bei einer Hypoxie durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Nitritreduktion zu NO die mitochondriale Struktur und Funktionalität unter sauerstoffarmen Bedingungen schützt. Das TRNOILOS-Projekt ermöglichte erfolgreich neue Einblicke in die regulatorische Funktion von Stickstoffmonoxid für den aeroben und hypoxischen Pflanzenstoffwechsel. Eine wachsende wissenschaftliche Beweisbasis für die schützende Funktion von Stickstoffmonoxid lässt darauf schließen, dass es möglich ist, Anbausorten über die kontrollierte Freisetzung von Nitrit oder NO in dem betroffenen Pflanzengewebe zu schützen.

Schlüsselbegriffe

Fluten, Pflanzenwurzeln, Stickstoffmonoxid, Hypoxie, Belastung durch Sauerstoffmangel

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