Würzburg, Germany
October 10, 2017
Quinoa leaf with typical salt bladders. On the right, you see the plant transporting the dissolved salts sodium and chloride first into the bladder and then in its vacuoles. The sugar carried along with them provides the necessary energy. (Picture: Jennifer Böhm)
The quinoa plant might serve as a model for making other crops salt-tolerant. It grows well on saline soils because the excess salt is simply dumped into special bladders on its leaves.
Soil erosion is considered as a problem that puts the nutrition of the human population at jeopardy. One of its aspects is soil salination, which affects in particular dry regions of the earth, where farmers are forced to irrigate their fields heavily. Large quantities of the salts dissolved in the water, such as sodium and chloride, are diffused into the soil and remain there after the water has evaporated. The salt stunts the crops and can even make soils infertile in the long run.
“All approaches so far to breed salt-tolerant plants must be considered more or less as failures”, says Professor Rainer Hedrich, plant scientist at the Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bavaria, Germany. They all aimed at making crop plants grow on saline soils and to identify salt-tolerant breed lines in the process. But this approach cannot work.
And that is for a reason: “Our crop plants are the result of many years of breeding. During that time, man has sheltered them from nearly all negative environmental influences, so that they have lost a lot of their natural resilience”, explains Hedrich. “As soon as these elite lines come in contact with too much salt, they usually die.”
Salt-tolerant plants serve as model
So Rainer Hedrich, together with Professor Sergey Shabala (University of Tasmania), set out to develop a new strategy. The two scientists placed their bet on plants that are naturally salt-tolerant.
One such plant is quinoa (Chenopodium quinoa). It comes from the Andes, where it has been been used as food for 7,000 years. Meanwhile the seeds of this South American pseudo-cereal, which are free from gluten and rich in vitamins, have found their way to European supermarket shelves.
The plant absorbs salt from the soil and stores it in bladder-shaped cells on the surface of its leaves. This protects the salt-sensitive metabolic processes, and the plant can grow well even on saline soils.
Without bladder cells quinoa suffers from salt stress
The researchers have found a simple way of proving that it is really the bladder cells that ensure the plant’s salt tolerance. “Just a few light brush strokes over a quinoa leaf cause the bladder cells to fall off”, says Professor Shabala. Stripped of their salt bladders, these plants grow on non-saline soils just as well as non-brushed specimens. But an exposure to common salt stunts their growth significantly.
The round to oval bladder cells of quinoa have a diameter of almost half a millimeter. They are veritable giants in the kingdom of plants, and can usually be seen even with the naked eye. Their storage capacity is up to 1000 times higher than that of any normal cell of the leaf surface.
The price of salt disposal is sugar
To get an insight into the “operating system” of quinoa and its bladder cells, the work group of Professor Jian-Kang Zhu (University of Shanghai) has decoded the Andes cereal’s DNA. Professor Hedrich’s team then compared the active genes of leaves and bladder cells. The necessary bioinformatic analyses were performed by experts from the University of Shanghai and from the team of Georg Haberer from the Helmholtz Center Munich.
The result: Even without salt treatment, there are genes working in the bladder cells which are in other species only active when the plant is under stress. They include transporters carrying sodium and chloride ions into the bladder cell. A stimulation with salt triggers the activation of further genes needed to maintain the signal path for the stress hormone ABA.
Storing the salt consumes energy. This energy is generated by the bladder cells from sugar molecules which they specially import from the leaf for that purpose. The bladder cells receive the required energy from the leaf and reciprocate by absorbing the toxic salt”, explains Hedrich.
Crossbreeding salt tolerance into crop plants
The new findings have been published in the “Cell Reports” journal. They are to be used in the long term for the breeding of salt-tolerant plants. “The first step is made”, says Professor Hedrich. “We will now use a combination of developmental genetics and the functional analysis of salt transport proteins to understand the molecular mechanisms that produces and maintains the salt tolerance in quinoa.”
The JMU research team wants to learn from quinoa lines equipped with a very large or a very low number of salt bladders. It has a large pool to draw on: about 2000 wild and cultivated varieties of the plant from the Andes are known so far. The ultimate outcome of their work might be not only the breeding of quinoa varieties with an even higher salt tolerance but also the crossbreeding of salt tolerance genes into related crop plants such as sugar beets or spinach.
Salztolerante Pflanzen züchten
Die Pflanze Quinoa könnte als Vorbild dienen, um andere Nutzpflanzen salztolerant zu machen. Sie gedeiht gut auf versalzenen Böden, weil sie das überschüssige Salz einfach in spezielle Blasen auf ihren Blättern verfrachtet.
Quinoa-Blatt mit typischen Salzblasen. Rechts ist dargestellt, wie die Pflanze die gelösten Salze Natrium und Chlorid erst in die Blase und dann in deren Vakuole transportiert. Der mittransportierte Zucker liefert die dafür nötige Energie. (Bild: Jennifer Böhm)
Die Bodenerosion gilt als Problem, das die Ernährung der Menschheit gefährdet. Dazu gehört auch die Bodenversalzung, die vor allem in trockenen Regionen der Erde dort auftritt, wo Landwirte ihre Felder intensiv bewässern müssen: Im Wasser gelöste Salze wie Natrium und Chlorid werden im großen Stil auf die Äcker gebracht und bleiben im Boden zurück, wenn das Wasser verdunstet ist. Das Salz schmälert die Erträge und kann die Böden auf lange Sicht sogar unfruchtbar machen.
„Die bisherigen Ansätze, salztolerante Pflanzen zu züchten, muss man als mehr oder weniger gescheitert betrachten“, sagt Professor Rainer Hedrich, Pflanzenwissenschaftler von der Universität Würzburg. Bislang sei versucht worden, Kulturpflanzen auf salzigen Böden wachsen zu lassen und dabei salztolerante Zuchtlinien zu identifizieren. Doch dieser Ansatz könne nicht funktionieren.
Der Grund: „Unsere Kulturpflanzen sind aus jahrelanger Zucht hervorgegangen. In dieser Zeit hat der Mensch fast alle negativen Umwelteinflüsse von ihnen ferngehalten, so dass sie viel von ihrer natürlichen Widerstandskraft verloren haben“, erklärt Hedrich. „Kommen diese Elitelinien mit zu viel Salz in Kontakt, gehen sie meist ein.“
Salztolerante Pflanzen als Vorbild
Hedrich hat also mit Professor Sergey Shabala (Universität Tasmanien) eine neue Strategie erarbeitet. Die Forscher setzen auf das Vorbild von Pflanzen, die von Natur aus salztolerant sind.
Quinoa (Chenopodium quinoa) ist eine solche Pflanze. Sie kommt aus den Anden, wo sie seit 7000 Jahren als Nahrungsmittel genutzt wird. Die glutenfreien und vitaminreichen Samen der getreideähnlichen Gewächse haben es mittlerweile auch in die Regale europäischer Supermärkte geschafft.
Die südamerikanische Pflanze nimmt Salz aus dem Boden auf und lagert es in blasenförmige Zellen auf ihrer Blattoberfläche ein. So bleiben ihre salzempfindlichen Stoffwechselvorgänge geschützt, die Pflanze kann selbst auf salzigen Böden gut wachsen.
Ohne Blasenzellen leidet Quinoa unter Salz
Dass die Blasenzellen tatsächlich für die Salztoleranz von Quinoa verantwortlich sind, haben die Forscher auf einfache Weise bewiesen: „Wenn man mit einem Pinsel nur leicht über ein Quinoablatt streicht, fallen die Blasenzellen ab“, so Shabala. Derart von ihren Salzblasen befreite Pflanzen wachsen auf salzfreien Böden genauso gut wie nichtgepinselte Exemplare. Bei Belastung mit Kochsalz dagegen bleibt ihr Wachstum erheblich zurück.
Die runden bis ovalen Blasenzellen von Quinoa haben einen Durchmesser von fast einem halben Millimeter. Damit sind sie wahre Riesen im Pflanzenreich und meist schon mit bloßem Auge zu erkennen. Ihr Speichervolumen ist bis zu 1000 Mal größer als das einer normalen Zelle der Blattoberfläche.
Salzentsorgung wird mit Zucker bezahlt
Um Einblick in das „Betriebssystem“ von Quinoa und ihren Blasenzellen zu bekommen, hat die Arbeitsgruppe von Professor Jian-Kang Zhu (Universität Shanghai) das Erbgut des Andengetreides entschlüsselt. Das Team von Hedrich hat dann die aktiven Gene von Blatt und Blasenzellen verglichen. Die nötigen bioinformatischen Analysen erledigten Fachleute von der Universität Shanghai und aus dem Team um Georg Haberer vom Helmholtz-Zentrum München.
Ergebnis: Schon ohne Salzbehandlung arbeiten in den Blasenzellen Gene, die bei anderen Pflanzenarten sonst nur bei Stress aktiv sind. Darunter befinden sich Transporter, die Natrium- und Chlorid-Ionen in die Blasenzelle transportieren. Nach einer Stimulation mit Salz werden weitere Gene aktiviert, die zur Aufrechterhaltung des Signalwegs des Stresshormons ABA gebraucht werden.
Die Speicherung des Salzes verbraucht Energie. Die gewinnen die Blasenzellen aus Zuckermolekülen, die sie eigens dafür aus dem Blatt importieren. „Die Blasenzellen bekommen die nötige Energie vom Blatt und revanchieren sich, indem sie dem Blatt das toxische Salz abnehmen“, so Hedrich.
Salztoleranz in Nutzpflanzen einkreuzen
Die neuen Erkenntnisse sind im Journal „Cell Reports“ veröffentlicht. Sie sollen auf lange Sicht für die Züchtung salztoleranter Pflanzen genutzt werden. „Der Anfang ist gemacht“, sagt Hedrich. „In einer Kombination aus Entwicklungsgenetik und funktioneller Analyse der Salztransport-Proteine wollen wir nun die molekularen Mechanismen verstehen, über welche die Salztoleranz bei Quinoa entsteht und aufrechterhalten wird.“
Das Forschungsteam will von Quinoa-Linien lernen, die mit sehr vielen oder sehr wenigen Salzblasen ausgestattet sind. Dafür steht ihm ein großer Fundus zur Verfügung: Bislang sind etwa 2000 Wild- und Zuchtformen der Andenpflanze bekannt. Am Ende könnte nicht nur die Züchtung noch salztoleranterer Quinoas stehen, sondern auch die Einkreuzung der Salztoleranz-Gene in verwandte Kulturpflanzen wie Zuckerrüben oder Spinat.
“A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and exceptional nutritional value". Heng Zhang, Changsong Zou, Aojun Chen, Lihong Xiao, Meiling Zhang, Wei Jia, Ping Deng, Ru Huang, Feng Li, Jian-Kang Zhu, Heike Muller, Peter Ache, Rainer Hedrich, Georg Haberer, Xiangyun Wu, Hui Zhang, Jennifer Bohm, Sergey Shabala, Renyi Liu, Daniel Lang, and Dongliang Zhan, Cell Reports, doi:10.1038/cr.2017.124
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