Studienergebnisse: Pflanzen sparen Energie, indem sie Kalium absorbieren

Pflanzen können dem Boden selbst kleinste Spuren des wichtigen Nährstoffs Kalium entziehen. Wie ihnen das gelingt, beschreibt ein Team um den Würzburger Biophysiker Rainer Hedrich Natürliche Kommunikation.

Kalium ist einer der Nährstoffe, die Pflanzen in großen Mengen benötigen. Allerdings kann die Menge an Kalium im Boden stark variieren: Böden mit niedrigem Kaliumgehalt können bis zu tausendmal weniger dieses Nährstoffs enthalten als Böden mit hohem Kaliumgehalt. Um flexibel auf diese Unterschiede reagieren zu können, haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, mit denen sie ihre Kaliumaufnahme an die Bodenbedingungen anpassen.

Wie Zellen im menschlichen Körper arbeiten auch Pflanzenzellen mit einer betriebsbedingten Kaliumkonzentration von etwa 100 Millimolar. Finden die Wurzeln eine Kaliumquelle mit deutlich geringerer Konzentration oder nur Spurenmengen, können sie Kalium nur unter Energieaufwand in ihre Zellen aufnehmen. Dies wird durch die Interaktion zwischen dem Kaliumionenkanal AKT1 und dem Kaliumtransporter HAK5 erreicht.

Forschung ist für die Pflanzenzüchtung relevant

„Obwohl HAK5 seit Ende der 1990er Jahre bekannt ist, ist sein Transportmechanismus bislang weitgehend unbekannt“, erklärt Professor Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) im bayerischen Würzburg.

Das Team um den Würzburger Biophysiker ist derzeit dabei, diesen Mechanismus aufzuklären. „Dessen muss man sich bewusst sein, wenn es um die Auswahl von Kulturpflanzen geht, die auch auf ungedüngten oder schwach gedüngten Feldern Erträge bringen, also mit weniger Dünger auskommen“, erklärt Hedrich.

Bei ihren Experimenten profitierte die Würzburger Forschergruppe um die Erstautoren Tobias Maierhofer und Sönke Scherzer von ihren umfangreichen Erfahrungen mit dem AKT1-Kaliumkanal.

Der Aufbau eines pH-Gradienten kostet Energie

Damit der AKT1-Kanal Kalium in die Zellen transportieren kann, sind höhere Kaliumkonzentrationen im Boden erforderlich. Als Energiequelle reicht das normale elektrische Feld der Zellmembran aus. Der HAK5-Transporter hingegen funktioniert bereits bei niedrigen Kaliumwerten im Boden. Zusätzlich zum elektrischen Feld benötigt es die Energie des pH-Gradienten. Die Pflanze muss diesen Gradienten über Zellmembranen hinweg erzeugen, was Energie kostet.

Weitere Experimente zeigten, dass der Kaliumtransporter HAK5 und der Kaliumkanal AKT1 energieeffizient zusammenarbeiten, wenn die Kaliumkonzentration im Boden schwankt.

Der Träger muss über einen Kaliumsensor verfügen

Bei hohen Konzentrationen wird der energieverbrauchende Transporter HAK5 deaktiviert. Das bedeutet, dass der Träger über einen Kaliumsensor verfügen muss. Auf der Suche nach dem Sensor sind die Frankfurter Strukturbiologin Inga Hänelt und ihr Würzburger Kollege Thomas Müller vorangekommen: Sie haben eine Mutante des Transporters gefunden, bei der die Affinität zu Kalium um den Faktor 100 geringer ist.

„Jetzt gilt es, die molekularen Reaktionen, die die Mutation auslösen, genauer zu erforschen“, beschreibt Rainer Hedrich die nächsten Forschungsziele. Außerdem möchte er herausfinden, wie der Transport von Kalium in der Wurzelzelle mechanisch und energetisch mit dem Transport von Protonen gekoppelt ist.