Stabile Isotope des Kohlenstoffs, Stickstoffs und Sauerstoffs in der löslichen Fraktion der Blätter des Durumweizens: Ihre Beziehungen zu den Wachstumsbedingungen.

Durch die globale Erwärmung und die vermutlich dadurch bedingte Wasserknappheit in vielen Anbausystemen ist mit Ernteausfällen und zunehmenden Engpässen in der Nahrungsversorgung zu rechnen. Besonders gravierende Auswirkungen sind in Ländern der ariden Tropen und Subtropen zu befürchten. Es ist deshalb von hohem Interesse, Verfahren zu entwickeln, die eine Abschätzung der Empfindlichkeit von Nutzpflanzensorten gegen Trockenstress und damit ihre Selektion ermöglichen.

Die in dem Praktikum im Bereich Pflanzenphysiologie der Universität von Barcelona durchgeführte Forschungsarbeit konzentrierte sich auf die beiden Stressfaktoren Wassermangel und Versalzung, die beide zu Trockenstress führen. Die Experimente und Analysen wurden in Kooperation mit Professor Araus Ortega sowie einer Doktorandin durchgeführt. Im Rahmen der Förderung durch die Stiftung wurden insbesondere die Auswirkungen von Salzstress auf die Verhältnisse stabiler Isotopen in Durumweizen untersucht.

Aufgrund der ungewöhnlich tiefen Temperaturen in Barcelona zu Beginn des Praktikums im März musste auf Feldexperimente verzichtet werden. Stattdessen wählten wir für die Versuchsdurchführung Pflanzen aus Gewächshaus und Klimakammer. Die für die Experimente genutzten Pflanzen wurden in einer randomisierten Versuchsanordnung unter zwei unterschiedlichen Salzkonzentrationen mit jeweils drei Wiederholungen sowie einer Kontrollgruppe gezogen. Die Auswirkung der erhöhten Konzentrationen auf das Pflanzenwachstum wurde in zwei Wachstumsphasen untersucht. Die in der Klimakammer angebauten Pflanzen setzten wir nach kurzer Anpassung bereits in der juvenilen Wachstumsphase den erhöhten Salzkonzentrationen aus. Bei den Pflanzen aus dem Gewächshaus wurde bis zum Zeitpunkt des Ährenschiebens gewartet. Die Salzexposition dauerte einen Monat. Anschließend wurden die Pflanzen geerntet und getrocknet.

Pflanzen von Durumweizen im Salzstress bei Gewächshauskultur. Foto: Thomas Vatter

Die getrockneten Blattmasse wurden zur Bestimmung der Biomasse gewogen und für weitere Analysen fein gemahlen. Damit wurden dann Pflanzenanalysen zur Bestimmung der Mineralstoffgehalte sowie die Extraktion der wasserlöslichen Fraktion zur Bestimmung der Isotopenverhältnisse durchgeführt.

Die Proben wurden dazu mit Wasser aufgenommen und die wasserlösliche Fraktion durch mehrfache Zentrifugation abgetrennt. Diese Fraktion wurde in Aluminiumkapseln pipettiert und getrocknet. Die danach verschlossenen Kapseln wurden in ein Massenspektrometer eingeführt.

Durch Zentrifugieren abgetrennte wasserlößliche Fraktion des Durumweizenextrakts (links) und ihre Übertragung in Aluminiumkapseln zur Bestimmung der Isotopenkonzentrationen im Massenspektrometer (rechts). Fotos: Thomas Vatter

Das Massenspektrometer trennt die verschiedenen Isotope anhand ihrer Atommassen von einander und ermöglicht somit die Bestimmung der Verhältnisse stabiler Isotope in dem untersuchten Substrat.

Von Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff existieren verschiedene stabile Isotope. Bei chemischen Reaktionen kommt es zu einer Fraktionierung dieser Isotope. Die leichteren Isotope benötigen eine geringere Aktivierungsenergie als die schwereren und werden dadurch als Reaktionspartner in chemischen Reaktionen bevorzugt. Dieser Effekt führt zur Anreicherung der leichteren Isotope innerhalb der Pflanze. Das Massenspektrometer ermöglicht es, diese Fraktionierungsvorgänge quantitativ zu erfassen.

Durch Salzstress kommt es zu Veränderungen im Stoffwechsel der Pflanze, die sich durch Veränderungen der Isotopenzusammensetzung des Pflanzenmaterials zeigen.

Die Messungen zeigten deutliche Unterschiede in der Isotopenzusammensetzung zwischen Pflanzen, die unter Kontrollbedingungen gewachsen waren, und Pflanzen, die erhöhten Salzkonzentrationen ausgesetzt waren. Zusätzlich waren Unterschiede zwischen verschiedenen Genotypen zu erkennen. Somit wurde die Unterscheidung von salztoleranten und salzempfindlichen Pflanzen aufgrund der bestimmten Isotopenverhältnisse zu einem frühen Zeitpunkt möglich.

Die durch die Massenspektrometrie erhaltenen Messwerte können also zur frühen Selektion von salztoleranten Genotypen beitragen. Der Selektionsprozess zur züchterischen Auslese salztoleranter Sorten von Durumweizen wird dadurch wesentlich vereinfacht, Kosten und Zeit können eingespart werden. Die Selektion, die bisher überwiegend anhand der Produktion an Biomasse durchgeführt wurde, kann durch die frühzeitige Auswahl toleranter Genotypen wesentlich vereinfacht werden. Es ist davon auszugehen, dass sich eine ähnliche Methodik auch auf die Selektion anderer Nutzpflanzenarten anwenden lässt. Die Arbeiten wurden im Sommer 2010 durchgeführt. Betreuer der Arbeit an der Hochschule RheinMain war Herr Prof. Dr. Joachim Heller. Text: Thomas Vatter, Gerd Esser