Was einen nicht umbringt …

Hitze, Kälte, plötzliche Wetterumschwünge, Schädlinge, zu viel Sonne oder zu wenig. Die Liste der Stress auslösenden Faktoren ist deutlich länger. Wie werden Pflanzen mit all diesen Widrigkeiten fertig?

In den letzten Jahren hat die Pflanzenforschung viele neue Erkenntnisse gewonnen, wie Pflanzen mit Stress umgehen. Eine Spezialausgabe im Fachjournal „Plant, Cell & Environment“ zieht nun ein Zwischenfazit. Im Überblicksartikel zeigen Monika Hilker und Thomas Schmülling vom Dahlem Centre of Plant Sciences an der FU-Berlin, wie vielseitig und spannend das Thema ist und wo in letzter Zeit Fortschritte gemacht wurden.

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Wo sitzt das Stress-Gedächtnis von Pflanzen?

Eine zentrale Erkenntnis ist, dass Pflanzen lernen können, mit Stress umzugehen. Forscher sprechen von einer Art Stress-Gedächtnis. Damit können Pflanzen auf Stressphasen schneller reagieren, wenn sie sie bereits zuvor schon einmal „erlebt“ haben. Mit jeder zusätzlichen Stresserfahrung erhöht sich die Effektivität und Effizienz der Stressreaktion.

Die Stresserfahrungen werden nicht an einem Ort gespeichert, sondern dezentral auf mehreren Ebenen verteilt. Das ist daran erkennbar, dass bei hitzeerprobten Pflanzen nicht nur die Chromatinstruktur verändert ist, sondern auch die Transkription und Translation von Genen dynamischer ablaufen, die vor Schäden durch Hitze schützen. Gleiches gilt auch in anderen stressigen Situationen.

Stressbewältigung auf allen Ebenen

Bei Arabidopsis thaliana fanden Forscher heraus, dass das als Transkriptionsfaktor bekannte Protein WRKY13 die Cadmiumtoleranz von Pflanzen steigert. Es fördert durch die Aktivierung eines ABC-Transporter-Gens (pdr8) die Produktion von Proteinen, die das giftige Schwermetall abtransportieren.

In einer anderen Studie zeigten Forscher, dass auch nachträgliche Protein-Modifikationen (Translation) ein Mittel zur Stressbewältigung sind. Leiden Apfelbäume aufgrund eines zu hohen Salzgehalts im Boden unter Salzstress, phosphoryliert das MdCIPK13-Protein ein bereits vorhandenes Zucker-Transporterprotein (MdSUT2.2). Dies fördert die Stabilität und Aktivität von MdSUT2.2 und führt dazu, dass die Zellen durch eine gezielte Erhöhung des Zuckergehalts vor dem Austrocknen geschützt werden.

Vorsicht! Wachsamer Nachbar

Proteine sind nicht die einzigen Moleküle, die an Stressreaktionen beteiligt sind. Pflanzenhormone und flüchtige Pflanzenduftstoffe spielen ebenso eine wichtige Rolle. Letztere dienen dazu, Pflanzen in der Umgebung zu warnen, wenn unmittelbar Gefahr durch hungrige Schädlinge droht oder Insektenweibchen gerade auf der Suche nach Ablageplätzen für ihre Eier sind. Bereits betroffene Pflanzen alarmieren so ihre unversehrten Kollegen in der Umgebung, sodass diese sich auf die drohende Gefahr vorbereiten können.

Sind Pflanzen vergesslich?

Interessant an der ganzen Sache ist, dass Pflanzen nicht nur eine Art Gedächtnisleistung vollbringen können, sondern anscheinend auch vergesslich sind. Im Zuge von Autophagie-Prozessen, eine Art zelluläres Recycling, werden laufend nicht mehr benötigte Zellbestandteile abgebaut. Seltsamerweise haben es die Phagosomen in diesem Fall ganz gezielt auf bestimmte Hitzeschockproteine abgesehen, während sie andere Zellbestandteile in Ruhe lassen. Was genau dahinter steckt, gilt es noch herauszufinden.

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Ganz grundsätzlich gibt es auf diesem Themengebiet noch viel zu entdecken, wie Hilker und Schmülling betonen. In welchem Entwicklungsstadium lernen Pflanzen mit Stress umzugehen? Welchen Einfluss haben der Tag- und Nachtrhythmus oder die Jahreszeiten? Wie gelingt es Pflanzen, in Zeiten des Klimawandels mit häufigeren und extremeren Schwankungen umzugehen?

DFG-Sonderforschungsbereich 973

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat speziell zu diesem Thema einen eigenen Sonderforschunsgbereich gegründet, zu dem auch Hilker und Schmülling gehören. Dieser beschäftigt sich grundsätzlich mit Stressreaktionen von Organismen ohne Nervensystem, also Pflanzen, Bakterien und Pilze.

Zu den beteiligten Institutionen gehören neben der FU-Berlin die Universität Potsdam und das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. Ziel ist, ein besseres Verständnis über den Umgang von Organismen mit Stress zu bekommen und Gemeinsamkeiten aufzuspüren.