In zwei Publikationen beschreiben Utrecht-Biologen und internationale Kollegen Prozesse, mit denen sich Pflanzen an die Wärme anpassen. Die Entdeckungen liefern Einblicke, wie Pflanzen bei suboptimalen hohen Temperaturen optimal funktionieren. Es könnte auch ein Sprungbrett sein, um das Wachstum von Pflanzen zu kontrollieren und sie widerstandsfähiger gegen die globale Erwärmung zu machen. Die Forscher veröffentlichen ihre Ergebnisse im Plant Journal und in Nature Communications.
Eisbären in der Wüste
Dennoch haben viele Pflanzenarten Wege entwickelt, um mit höheren Temperaturen umzugehen. „Im Gegensatz zu Tieren können viele Pflanzen ihre Körperform an Wärme und andere Umweltfaktoren anpassen“, sagt der Forscher Martijn van Zanten, der der Universität Utrecht angeschlossen ist und zu beiden Veröffentlichungen beigetragen hat. „Tiere sind eine ganz andere Geschichte. Einfach ausgedrückt, wenn Sie einen Eisbären in die Wüste stellen, sieht er immer noch aus wie ein Eisbär mit einem dicken Pelzmantel. Wenn eine Pflanze jedoch unter wärmeren Bedingungen wächst, passt sie ihre Körperform entsprechend an. Auf diese Weise versucht die Anlage, unter diesen ungünstigen Bedingungen optimal zu funktionieren. “
Von kompakter bis offener Pflanzenform
Viele Pflanzenarten können die Form ihrer Stängel und Blätter anpassen, um sie widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen zu machen. Dies gilt auch für die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die von vielen Pflanzenbiologen als ihr bevorzugtes Pflanzenmodell angesehen wird. Bei Kälte sind diese Pflanzen kompakt und haben ihre Blätter in Bodennähe. Wenn die Temperaturen steigen, nehmen sie eine offenere Haltung ein. Die Blätter werden zum Beispiel aufrechter. Dies reduziert die direkte Sonnenstrahlung erheblich. Außerdem dehnen sich die Blattstiele, sodass mehr Wind die Blätter passieren und die Wärme abführen kann.
Gewünschtes und unerwünschtes Dehnen
Bei Feldfrüchten und (Schnitt-) Blumen ist diese Art der Dehnung jedoch häufig unerwünscht. Die Erzeuger möchten diese Änderungen kontrollieren, da das Dehnen die Produktqualität beeinträchtigen kann. „Gleichzeitig ist jedoch eine Anpassung erforderlich, um die Pflanzen widerstandsfähiger gegen die durch den Klimawandel verursachten höheren Temperaturen zu machen. Das ist notwendig, um die Produktion längerfristig aufrechtzuerhalten “, sagt Van Zanten.
Pflanzen klimatoleranter machen
„Viele Kulturpflanzen haben die Fähigkeit verloren, gut auf höhere Temperaturen zu reagieren“, sagt Van Zanten. "In verschiedenen Kulturen verschwand es während des Domestizierungs- und Züchtungsprozesses, da sich die Züchter hauptsächlich auf andere Merkmale konzentrierten."
Da der Klimawandel die Temperaturen in die Höhe treibt, besteht laut Van Zanten ein zunehmender Bedarf, Pflanzen klimatoleranter zu machen. „Dies erfordert Kenntnisse darüber, wie Pflanzen mit höheren Temperaturen umgehen. Wie wandeln sie die empfangenen Temperatursignale in Wachstumsanpassungen um? Die Erforschung der molekularen Mechanismen, mit denen sich Pflanzen an die suboptimale Temperatur anpassen, ermöglicht es Werkzeugen, die Architektur von Pflanzen durch Züchtung anzupassen. “
Der molekulare Mechanismus schaltet die Wärmestellung ein
Talkresse-Pflanzen, die sich nicht mehr an höhere Temperaturen anpassen, können diese Fähigkeit wiedererlangen, wenn sie bestimmten Chemikalien ausgesetzt werden. Dies wurde von einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Van Zanten entdeckt. Das Team testete eine große Anzahl von Substanzen an einer Kresse-Mutante, die sich nicht mehr an hohe Temperaturen anpasst. Sie fanden ein Molekül, das die Anpassung an hohe Temperaturen in jungen Pflanzen auch bei niedrigen Temperaturen „einschalten“ kann.
Die Forscher nennen diese Verbindung "Heatin". Indem sie das Molekül chemisch modifizierten und dann untersuchten, welche Proteine an die Erwärmung binden können, fanden sie eine Gruppe von Proteinen, die Nitrilasen genannt werden. Es ist bekannt, dass die identifizierte Untergruppe nur in Kohlköpfen und verwandten Arten, einschließlich Talkresse, vorkommt.
Zusammen mit einem Pflanzenzüchter entdeckten die Biologen, dass Kohlarten tatsächlich auf Erhitzung reagieren. Sie entdeckten auch, dass die Nitrilasen für die Anpassung an hohe Temperaturen erforderlich sind, wahrscheinlich weil sie die Produktion des bekannten Wachstumshormons Auxin ermöglichen. Die Forscher veröffentlichten diese Entdeckung im Plant Journal.
Neuer Weg zur Hochtemperaturanpassung
Die Veröffentlichung der Heatin-Ergebnisse fällt mit einer anderen Veröffentlichung zusammen, die heute in Nature Communications veröffentlicht wird. Diese Forschung wurde von Wissenschaftlern des belgischen VIB-Instituts geleitet, an denen auch Van Zanten beteiligt war. Das Team entdeckte ein zuvor unbeschriebenes Protein, das die Anpassung der Pflanzen an eine wärmere Umgebung reguliert. Das Protein wurde MAP4K4 / TOT3 genannt, wobei TOT Ziel der Temperatur bedeutet.
Bemerkenswerterweise ist der TOT3-gesteuerte Prozess weitgehend unabhängig von allen anderen Signalwegen, die Biologen bisher mit der Wärmeanpassung in Pflanzen in Verbindung gebracht haben. Darüber hinaus scheinen die Anpassungen durch TOT3 nicht von der Menge und Zusammensetzung des Lichts abhängig zu sein, das auf eine Pflanze scheint.
Van Zanten: „Die molekularen Mechanismen, durch die Pflanzen das Wachstum an sich ändernde Lichtzusammensetzungen und hohe Temperaturen anpassen, überschneiden sich stark. Mit TOT3 haben wir jetzt einen Faktor zur Hand, mit dem wir das Wachstum bei hohen Temperaturen kontrollieren können, ohne den Umgang der Pflanze mit Licht zu beeinträchtigen. “
Breite Anwendungen
"Was es noch interessanter macht", sagt Van Zanten, "ist, dass TOT3 eine ähnliche Rolle bei der Wachstumsanpassung bei hohen Temperaturen sowohl in Talkresse als auch in Weizen spielt." Diese beiden Arten sind genetisch ziemlich voneinander getrennt. Das bietet also ein großes Potenzial für breite Anwendungen. “
Alternative zu Wachstumsinhibitoren
Letztendlich können die Entdeckungen von TOT3 und die Rolle von Nitrilasen dazu beitragen, weiterhin genügend Pflanzen anzubauen, selbst wenn die Temperaturen aufgrund des Klimawandels steigen. Die Entdeckungen bieten auch die Möglichkeit, Alternativen zu Chemikalien zu entwickeln, die heute häufig zur Hemmung des Pflanzenwachstums eingesetzt werden. Als Beispiel erwähnt Van Zanten Schnittblumen, die sehr stark auf Temperaturschwankungen reagieren. In der Blumenzucht werden daher viele Wachstumsinhibitoren verwendet, um die Pflanzen schön und kompakt zu halten.
„Wenn Sie zum Beispiel Tulpen kaufen, haben sie immer noch einen schönen kurzen Stiel“, sagt Van Zanten. „Aber nach ein paar Tagen bei Ihnen zu Hause hängen sie über dem Rand der Vase. Die höheren Innentemperaturen führen dazu, dass sich die Pflanzen dehnen und schließlich schlaff werden und sich biegen. Wir hoffen, dass das neue Wissen zur Auswahl neuer Blumensorten beiträgt, die sich bei hohen Temperaturen weniger dehnen. Auf diese Weise können wir den Einsatz schädlicher Wachstumsinhibitoren reduzieren. “
Für weitere Informationen:
Utrecht Universität
www.uu.nl