Ein Anstieg mit tiefgreifenden Veränderungen

Effekte des Klimawandels auf molekularer Ebene

12.08.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Forscher haben untersucht, wie sich höhere Temperaturen und CO2-Werte bei Pflanzen auf molekularer Ebene auswirken. (Quelle: © Andrea Kusajda / pixelio.de)
Forscher haben untersucht, wie sich höhere Temperaturen und CO2-Werte bei Pflanzen auf molekularer Ebene auswirken. (Quelle: © Andrea Kusajda / pixelio.de)

Eine Studie enthüllt den Effekt, den der Klimawandel auf kleine RNA-Sequenzen in Pflanzen hat. Ein Anstieg der CO2-Konzentrationen sowie höhere Temperaturen haben in Experimenten zu Veränderungen der microRNA in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana geführt. MicroRNAs steuern viele und sehr komplexe biologische Prozesse, darunter den Blühzeitpunkt. Durch die veränderten Umweltbedingungen werden diese Prozesse maßgeblich beeinflusst.

Nach Schätzungen des Weltklimarats (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) wird sich die durchschnittliche globale Temperatur bis zum Ende des 21. Jahnhunderts um 1,1 bis 6,4 °C erhöhen (IPCC, 2007). Gleichzeitig ändert sich, vor allem durch den menschlichen Einfluss bedingt, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Von rund 380 parts per million (ppm) im Jahr 2005 könnte die CO2-Konzentration bis zum Jahr 2100 gar auf 1.200 ppm ansteigen, so die extremsten Prognosen.

Höhere CO2-Werte und Temperaturen haben allerdings auch Auswirkungen auf unsere Pflanzenwelt. Forscher konnten bereits feststellen, dass sich die Blühzeitpunkte verschieben können oder sich die Verbreitungsgebiete einiger Pflanzenarten ändern. Aber welche Auswirkungen hat der Klimawandel auf molekularer Ebene? Dies untersuchte ein Forscherteam nun am Beispiel der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana).

Ein Blick ins Erbgut

Die Forscher testeten, wie sich ein Anstieg der Temperatur um 3-6 Grad Celsius (von 23 °C auf 26 bzw. 28°C) oder ein Anstieg der CO2–Werte (von 430 ppm in der Kontrollgruppe auf 810 ppm) in den Zellen der Blätter von Arabidopsis-Pflanzen bemerkbar machen. Mit modernen RNA-Sequenziermethoden entdeckten die Wissenschaftler dabei, dass die veränderten Umweltbedingungen kleine RNA-Sequenzen sogenannte microRNAs (miRNA) in ihrer Aktivität beeinflussen.

Diese miRNAs sind kleine Genregulatoren. Sie steuern die Expression von Genen und können die Translation bestimmter Gene komplett unterbinden (Gene Silencing). Die miRNAs, welche sich in den Experimenten anders als die Kontrollgruppe verhielten, konnten in vier funktionale Gruppen eingeteilt werden. Diese Gruppen bedingen wichtige biologische Prozesse der Entwicklung und des Wachstums der Pflanze: Konkret wirkte sich dies auf (1) den Zeitpunkt der Blütenbildung aus, (2) das Zellwachstum und die Zellteilung, (3) die Reaktion auf Stress und (4) die Bildung von Kohlenhydraten an der Zellwand.  

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Der Klimawandel führt bei Pflanzen zu tiefgreifenden Veränderungen. Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) begann in den Experimenten z.B. bei höheren CO2–Konzentration rund eine Woche früher zu blühen. 

Der Klimawandel führt bei Pflanzen zu tiefgreifenden Veränderungen. Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) begann in den Experimenten z.B. bei höheren CO2–Konzentration rund eine Woche früher zu blühen. 

Quelle: © Alberto Salguero / wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Frühere Blütenpracht und ein verändertes Wachstum

Fast alle miRNAs, die von den erhöhten CO2–Werten beeinflusst wurden zeigten auch Veränderungen bei erhöhten Temperaturen. Dies belegt, dass beide Faktoren sich auf die kleinen Genregulatoren und damit auch auf wichtige Gene für die Entwicklung von Pflanzen auswirkten. So zeigte sich z.B., dass die Pflanzen, die einer erhöhten CO2–Konzentration ausgesetzt waren, im Vergleich zur Kontrollgruppe rund eine Woche früher begannen Blüten auszubilden. Oder, dass einige miRNAs, bei der Signalweiterleitung des pflanzlichen Wachstumshormons Auxin beteiligt sind. Dabei haben Temperatur- und CO2 Anstieg jedoch vermutlich entgegengesetzte Auswirkungen: Ein Temperaturanstieg könnte durch die Regulation von speziellen miRNAs (miR164 und miR160) das pflanzliche Wachstum hemmen, wohingegen ein CO2 Anstieg durch eine Veränderung in der miR160 dieses ankurbeln könnte. Denn zusammen mit Wasser ist Kohlendioxid Ausgangsstoff für die Photosynthese, durch welche die Pflanze energiereiche Kohlenhydrate und Sauerstoff produziert.

Aber nicht nur bekannte miRNAs wurden verändert. Die Forscher entdeckten auch bisher noch nicht beschriebene miRNAs, von denen ebenfalls mehrere in ihrem Aktivitätsmuster verändert wurden.

Noch realistischere Bedingungen schaffen

Die Studie ist - nach Angaben der Forscher - die erste, die einen Zusammenhang zwischen dem Klimawandel und der Aktivität von miRNAs in pflanzlichen Zellen herstellt. Da die Forscher hier jedoch nur getestet haben, wie sich entweder ein CO2 Anstieg oder ein Temperaturanstieg auf die molekularen Prozesse in der Pflanze auswirken, untersuchen die Wissenschaftler nun in einem nächsten Schritt, welche Effekte beide in Kombination auf die Pflanzen haben. Denn in der Zukunft werden sich klimatische Rahmenbedingungen nicht wie im Experiment getestet singulär, sondern in Kombination verändern. Dies ist vor allem daher spannend, da die vorliegende Studie aufzeigte, dass die Faktoren Temperatur und CO2-Konzentration entgegengesetzte Wirkungen in der Pflanze haben können.

Die Wissenschaftler hoffen, durch ihre Forschung dazu beizutragen, unsere Kulturpflanzen auch bei zukünftig wärmeren Temperaturen und höheren Treibhausgas-Konzentrationen zu optimieren: „Diese Ergebnisse zeigen, dass auch unter den Bedingungen einer globalen Erwärmung, die Samen- und Biomasse-Produktion durch Veränderung der Expression dieser miRNAs beeinflusst werden kann“, erklärt Erstautorin Liu von der Stony Brook University. Da fast alle der untersuchten miRNAs über die Artgrenzen hinweg konserviert sind, ist ein besseres Verständnis der Funktion dieser miRNAs eine Grundlage, um die Erträge von Kulturpflanzen zu sichern, so die Forscher. Dieses molekulare Wissen ist eine wichtige Voraussetzung, um den Herausforderungen des globalen Klimawandels besser begegnen zu können.

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