Da war doch was

Molekularer Memory-Effekt hilft Pappeln bei wiederholtem Trockenstress

05.03.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Unter Trockenstress können Forscher in den Blättern  Anpassungen auf molekularer Ebene beobachten. (Bildquelle: © Donald Hobern/Wikimedia.org/CC BY 2.0)
Unter Trockenstress können Forscher in den Blättern Anpassungen auf molekularer Ebene beobachten. (Bildquelle: © Donald Hobern/Wikimedia.org/CC BY 2.0)

Forscher haben die Reaktion von Grau-Pappeln bei Trockenstress beobachtet und dabei Interessantes entdeckt: Mit jeder neuen Stresserfahrung erhöht sich die Photosyntheseleistung.

Hitze und Trockenheit setzen Pflanzen zu. Langlebige Pflanzen wie Bäume besitzen verschiedene Mechanismen, um damit umzugehen. In einer Studie haben Forscher des Helmholtz Zentrums in München, des Max-Planck-Genomzentrums in Köln, des Zentrums für Biosystemanalyse in Freiburg und der Technischen Universität München nun die Hintergründe genauer untersucht.

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Pappel: Die Pflanze eignet sich aufgrund ihres schnellen Wachstums, der weiten Verbreitung, des überschaubaren, voll sequenzierten Genoms und ihrer wirtschaftlichen Relevanz bei nachwachsenden Rohstoffen gut für molekulare Untersuchungen zu Anpassungen an Klimaveränderungen.

Pappel: Die Pflanze eignet sich aufgrund ihres schnellen Wachstums, der weiten Verbreitung, des überschaubaren, voll sequenzierten Genoms und ihrer wirtschaftlichen Relevanz bei nachwachsenden Rohstoffen gut für molekulare Untersuchungen zu Anpassungen an Klimaveränderungen.

Quelle: © AnRo0002/Wikimedia.org/CC0

Inszenierte Trockenheit

Sie steckten dazu zwölf Grau-Pappel-Setzlinge (Populus x canescens) in eine Klimakammer. In Szenario 1 wurden die Setzlinge über 22 Tage dauerhaft unter Hitze- und Trockenstress gesetzt. In Szenario 2 für die Dauer von dreimal sechs Tagen, mit jeweils zwei Tagen Verschnaufpause. In beiden Fällen betrug die Höchsttemperatur 33 Grad und die CO2-Sättigung 500 µL/L. Zusätzlich wurde die Wasserversorgung im Vergleich zur Kontrollgruppe deutlich heruntergeschraubt. Im ersten Szenario stärker als im zweiten.

Phänotypische Anpassungen an Trockenstress

Nach Ablauf der Stressphase (Tag 22) sowie nach der Erholungsphase (Tag 29) nahmen die Forscher Proben aus jungen sowie voll entwickelten Blättern, aus dem Phloem, Xylem und den Feinwurzeln. An einzelnen vollentwickelten Blättern führten sie zudem Photosynthesemessungen durch. Das Ergebnis: Unter Hitze- und Trockenstress sanken die Transpirationsrate, Stomataleitfähigkeit und CO2-Assimilationsrate deutlich ab. Herunterreguliert waren außerdem Reparatur- und Zellteilungsprozesse, die Proteinphosphorylierung, Verteidigungsmechanismen und Transmembran-Transporte. Hier fanden die Forscher viele Gemeinsamkeiten in allen Geweben, aber auch interessante Unterschiede.

So waren in Szenario 1 im Xylem vor allem Gene für die Stammphotosynthese aktiv, also für die Photosynthese im chlorophyllreichen Gewebe unter der Rinde. Die Forscher vermuten, dass die Stammphotosynthese bei Trockenstress einen Teil der Versorgung mit Kohlenhydraten übernimmt, um weiteren Wasserverlust durch die Stomata zu vermeiden. In Szenario 2 zeigte sich dieser Effekt nicht, weil das Wasserdefizit nicht so groß war.

Unterschiede bei der Erholungsphase

Auch in der Erholungsphase stießen die Forscher im Zuge von Transkriptomanalysen auf Unterschiede: Im zweiten Szenario waren in allen Geweben, mit Ausnahme der voll entwickelten Blätter, mehr Gene aktiviert als im ersten Szenario. Vor allem in jungen Blättern war eine stärkere Reaktivierung der Wachstumsprozesse zu beobachten. In den entwickelten Blättern waren hingegen vor allem Gene für die Anthocyanidin-Produktion aktiv, weshalb diese nach der Erholungsphase mehr Anthocyanidine enthielten.

Was macht den Unterschied?

Grundsätzlich normalisierten sich die Werte in beiden Szenarien im Zuge der Erholungsphase. Außerdem erhöhten sich die Photosyntheserate und die Expression von Transkriptionsfaktoren. In Bezug auf Letzteres zeigten die Grau-Pappeln aus Szenario 2 den stärksten Anstieg. Die Forscher vermuten, dass die Transkriptionsfaktoren an der Neuordnung der Genexpression nach Stressphasen beteiligt sind: Denn die Expression der Transkriptionsfaktoren nahm zu, je öfter sich ein Stressszenario wiederholte. Das könnte erklären, warum die Grau-Pappeln aus dem zweiten Szenario mehr Transkriptionsfaktoren enthielten als jene aus Szenario 1.

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Die Arbeit der Forscher zeigt, wie gerade langlebige Pflanzen wie Bäume lernen, mit Trockenheit und Hitze umzugehen.

Die Arbeit der Forscher zeigt, wie gerade langlebige Pflanzen wie Bäume lernen, mit Trockenheit und Hitze umzugehen.

Quelle: © Pixabay.com/CC0

Die orthologen Gene der Transkriptionsfaktoren bei der Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) erhöhen bei einer Überexprimierung den Chlorophyllgehalt in Blättern und die Photosyntheserate. Sollten sie in Pappeln einen ähnlichen Effekt haben, würde das die gesteigerte Photosyntheseleistung erklären.

Molekularer Memory-Effekt

Wiederkehrende Stresssituationen bewirken bei Pflanzen vermutlich eine Art Memory-Effekt: Bestimmte Gene werden nach wiederholten Stresssituationen stärker exprimiert als nach einer einmaligen Stresssituation. Die Forscher schließen daraus, dass Pflanzen, die unter Stress geraten, sich so auf zukünftige Stresssituationen einstellen. Zudem scheinen diese Verbesserungen nach der Erholungsphase anzuhalten. 

Auch wenn noch viel geforscht werden muss, weisen die Wissenschaftler darauf hin, dass ihre Erkenntnisse für die Land- und Forstwirtschaft von großer Bedeutung sind. Denn sie zeigen, wie sich Pflanzen auf molekularer Ebene an veränderte Umweltbedingungen prinzipiell anpassen.

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