Die Weltbevölkerung braucht immer mehr Nahrung. Wie werden da die Pflanzen der Zukunft aussehen? Diese "Champions" sollen ertragreich und resistent sein. Doch welche Abwehrmechanismen besitzen sie vor oxidativem Stress? Ziel dieses Projektes ist es, gemeinsam mit den Schülerinnen und Schüler die chemischen Abwehrmechanismen der Pflanzen auf die zunehmende oxidative Belastung vor allem durch Ozon im Detail zu untersuchen.

 

Projektbeschreibung:

In den vergangenen 100 Jahren verdoppelte sich durch wachsende Industrialisierung und der Zunahme des Verkehrs die Konzentration an bodennahem Ozon (O₃). Zur Bildung von bodennahem Ozon sind sowohl anthropogen emittierte Stickoxide (NOx = NO + NO₂) als auch vorwiegend von Pflanzen emittierte organische Spurengase und Sonnenlicht notwendig. Sowohl Menschen als auch Pflanzen sind in der heutigen Zeit erhöhten Ozonkonzentrationen ausgesetzt. Wie schädlich Ozon für Menschen und Pflanzen ist, hängt in erster Linie von der aufgenommenen Ozonmenge ab. Übersteigt der Ozonfluss in die Pflanze ein gewisses Maß, entstehen am Pflanzenblatt zunächst an vereinzelten Stellen Verfärbungen und Nekrosen und in weiterer Folge kann es zum Absterben der Pflanze kommen. Allein durch Ozon entstehen an landwirtschaftlich genutzten Pflanzen der globalen Wirtschaft jährlich Schäden von einigen Milliarden Dollar.

Es ist seit langem bekannt, dass verschiedene Pflanzenarten aber auch verschiedene Genotypen einer Art (z.B. verschiedene Tabaksorten) sehr spezifisch hinsichtlich ihrer Anfälligkeit gegenüber Ozonbelastung reagieren. So werden sensitive Tabaksorten beispielsweise als Bioindikatoren für das Auftreten einer hohen Ozonbelastung eingesetzt. Diese unterschiedliche Sensitivität kann mehrere Ursachen haben. So besitzen alle Lebewesen, die in einer sauerstoffreichen Umwelt leben in den Zellen antioxidative Systeme, um die permanent gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies zu entgiften. Kommen diese Abwehrsysteme mit der aufgenommenen Ozondosis nicht mehr zurecht werden die Blätter sichtbar und nachhaltig geschädigt.

Wir konnten erst vor kurzem zeigen, dass ozontolerante Tabaksorten in ihren Härchen an der Blattoberfläche einen semi-volatilen Stoff synthetisieren und diesen auf die Pflanzenoberfläche ''sprühen'', der Ozon schon an der Blattoberfläche unschädlich macht. Es gibt also Pflanzen, die ihre eigene ''Schutzcreme'' synthetisieren, um sich vor Ozon zu schützen. Diese Pflanzen sind für die in Zukunft zu erwartende Ozonzunahme schon sehr gut vorbereitet.

Mit tatkräftiger Unterstützung der Schülerinnen und Schüler als Jungwissenschaftlerinnen und Jungwissenschaftler wollen wir in einem ersten Ansatz die räumliche Verteilung der Ozonkonzentration im Oberpinzgau messen und die Aufnahme von Ozon in Versuchspflanzen (Ozondosisbestimmung) abschätzen. Dazu werden die Schülerinnen und Schüler zusammen mit den Experten der Universität zunächst „low-cost“ Forschungsstationen für Ozon, NOx, Temperatur, etc. herstellen und programmieren, sowie Versuchspflanzen, die als Bioindikatoren dienen sollten, anziehen. Diese Forschungsstationen werden in den Heimatorten der Schülerinnen und Schüler aufgestellt und von ihnen vor Ort betreut, um einen einzigartigen Datensatz zu generieren, der dazu dienen wird, die räumliche Heterogenität und Verteilung von Ozon in dem inneralpinen Tal besser zu verstehen. Zudem soll damit erstmals die räumliche Verteilung der effektiven Ozondosis für Pflanzen im Oberpinzgau bestimmt  werden.

In einem zweiten Ansatz soll unter kontrollierten Bedingungen im  Labor der wissenschaftlichen Frage nachgegangen werden, weshalb manche Pflanzen-Genotypen extrem sensitiv auf Ozon reagieren, andere dagegen eine hohe Resistenz gegenüber Ozon aufweisen. Dazu werden Pflanzen in einem Glasbehälter eingeschlossen und mit Ozon  oder anderen Oxidantien behandelt und die Reaktion der Pflanzen darauf erforscht. Zum Einsatz kommen hier hochmoderne, extrem leistungsstarke Techniken, um zeitlich hochaufgelöst die Reaktionsprodukte von Ozon mit semi-volatilen Verbindungen, die auf den Blattoberflächen der Pflanzen vermutet werden, nachzuweisen. Mit diesen Untersuchungen bewegt sich das Projekt im Bereich aktuellster Forschung auf dem Gebiet der pflanzlichen Abwehr gegenüber abiotischem Stress.

 

Project description:

Over the last 100 years the concentration of ground-level ozone (O₃) has doubled due to increasing industrialization and traffic. For the formation of ground-level ozone anthropogenically emitted nitrogen oxides (NO_x = NO + NO₂), organic trace gases emitted primarily from plants and sunlight are necessary. Both humans and plants are exposed to increased ozone concentrations. How harmful ozone is to humans and plants depends primarily on the absorbed amount of ozone. If the ozone flux into the plant exceeds a certain amount discolorations and necroses of isolated spots on the plant leaves are formed and can further lead to vegetation loss. Due to ozone damage on agricultural crops billions of dollars are annually lost for the global economy.

It is known that various plant species but also different genotypes of a species (e.g. various types of tobacco) react very specifically to ozone exposure. For example, sensitive tobacco types are used as bio indicators for the occurrence of a high ozone dose. This can have several causes. Plants usually have antioxidant systems in their cells to detoxify the permanently formed reactive oxygen species, like ozone (O3) or hydroperoxides (ROOH). If these defense systems do not manage to process the absorbed ozone dose, the leaves get damaged. We recently showed that ozone-tolerant tobacco varieties synthesize a semi-volatile substance in their trichomes on the leaf surface and "spray" it onto the plant surface. The substance decreases the amount of ozone entering the leaf. So there are plants that synthesize their own ''protective cream'' to protect themselves from ozone. These plants are already well prepared for the increasing ozone levels in the future.

With the energetic support of the students as young scientists, we want to measure the spatial distribution of the ozone concentration in the valley Oberpinzgau. In a first approach we estimate the uptake of ozone in experimental plants. Together with the university experts the students will build and program "low-cost" research stations for ozone, NOx, temperature, radiation and humidity. They will test bean plants which should serve as bio indicators. These research centers will be set up in the students’ home to generate a unique dataset that will help to a better understanding of the spatial heterogeneity and distribution of ozone in an inner alpine valley. In addition, the spatial distribution of the effective ozone dose for plants in the Oberpinzgau region will be determined for the first time.

In a second approach we will investigate under controlled conditions in the laboratory, why some plant genotypes react extremely sensitively to ozone while others have a high resistance to ozone. For this purpose, plants are enclosed in a glass cuvette and treated with ozone or other oxidants. With highly sensitive instruments we will detect the reaction products of ozone with semi-volatile compounds, which are suspected on the leaf surfaces of the plants. With these investigations the project is focusing on state of the art research in the field of plant defense against abiotic stress.