Molekularer Winterspeck

Kälte und Frost machen Pflanzen schwer zu schaffen. Die Mechanismen, mit denen Pflanzen auf Minusgrade reagieren, blieben lange Zeit verborgen. Wissenschaftler konnten nun beweisen, dass eine seit längerem bekannte Hormongruppe, die Brassinosteroide, eine wichtige Rolle bei der Frosttoleranz spielt.

Genau wie Hitze und Dürre sind auch Kälte und besonders Frost Faktoren, die Wachstum und Produktivität von Pflanzen negativ beeinflussen. Um unter schwierigen Bedingungen zu überleben, entwickelten Pflanzen ausgeklügelte molekulare Anpassungsmechanismen. Lange Zeit blieb im Dunkeln, wie genau die Mechanismen zur Toleranz von Minusgraden funktionieren. Forscher der Technischen Universität München (TUM), des Helmholtz Zentrum München und der University of Nottingham haben jetzt herausgefunden, wie Phytohormone, die zur Gruppe der Brassinosteroide gehören, die Frosttoleranz von Pflanzen verändern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

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Brassinosteroide sind „alte Bekannte“

Die Phytohormone Brassinosteroide sind in anderer Funktion bereits seit längerem bekannt. Sie regulieren das Wachstum von Pflanzen, fördern das Sprosswachstum und hemmen das Wurzelwachstum. Bisher sind ungefähr 70 Brassinosteroid-Verbindungen bekannt. Brassinosteroide erhöhen aber auch die Resistenz von Pflanzen gegen verschiedene Typen von abiotischem Stress, so auch Kälte und sogar Frost. Es konnte bewiesen werden, dass selbst extern applizierte Brassinosteroide die Kältetoleranz von Pflanzen erhöhen.

Experimente mit Ackerschmalwand

Ihre Untersuchungen führten die Forscher am Modellsystem, der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) durch. In ihrer Wildform ist Arabidopsis recht unempfindlich gegenüber Frost. Diese bereits vorhandene Unempfindlichkeit kann die Pflanze durch Kälteanpassung weiter erhöhen. Dies geschieht, indem die Pflanze bei sinkenden Temperaturen ihr Transkriptom umprogrammiert, was biochemische, physiologische und morphologische Veränderungen nach sich zieht. Die Pflanze wächst dadurch langsamer, hat aber größere Überlebenschancen.

Im Versuchsaufbau verwendeten die Wissenschaftler genetisch veränderte Pflanzen. Bei diesen wurde die Signalübertragung durch Brassinosteroide unterbrochen. Es zeigte sich, dass die gehemmten Mutanten, unabhängig von der Kälteanpassung, deutlich weniger Frost ertrugen. Bei der Analyse fanden die Forscher heraus, dass Brassinosteroide das Protein CESTA regulieren. Von diesem Protein gehen mehrere Signalkaskaden aus, die die Expression von nachgeordneten Genen, die für die Frosttoleranz verantwortlich sind, einleiten. Dieser Ablauf führt schließlich zu einer veränderten Fettsäurekomposition in der Zelle, die diese vor Kälteschäden schützt.

Das Ziel ist eine erhöhte Forsttoleranz

Die Erkenntnisse der Forscher ermöglichen es, die Anpassungsstrategien von Pflanzen besser zu verstehen und gezielt zu beeinflussen. Dass extrem frostempfindliche Nutzpflanzen wie z. B.  Zuckerrohr (Saccharum officinarum) in Zukunft auch in unseren Breiten gedeihen, ist allerdings nicht zu erwarten, da nicht nur der Faktor Temperatur über die Entwicklung von Pflanzen bestimmt. Auch ein entsprechender Lichtbedarf und Bodentyp müssen berücksichtigt werden.

Die Ergebnisse liefern jedoch Ansätze für Lösungen hiesiger Kulturpflanzen. So könnten z. B. winterharte Zuckerrüben helfen, die Vegetationsperiode zu verlängern und höhere Erträge zu liefern. Auch der Anbau von bestimmten Kulturpflanzen in nördlicheren Breitengraden, wäre ein Ziel der Forschung. Hinzu kommen Unwägbarkeiten, die mit dem Klimawandel einhergehen. Da diese Veränderungen zu schnell für evolutionäre Prozesse ablaufen, muss die Pflanzenforschung Pflanzen liefern, die idealerweise mit allen Widrigkeiten zurechtkommen. Konventionelle Methoden, frostresistente Pflanzen zu züchten, waren bisher nur bedingt erfolgreich. Mit einer Erhöhung der Frostresistenz geht in der Regel ein vermindertes Wachstum einher.