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Molekulares Gedächtnis für Hitzestress Das erstaunliche Erinnerungsvermögen von Pflanzen

Autor / Redakteur: Dr. Ulrike Glaubitz* / Christian Lüttmann

Wenn Pflanzen großer Hitze ausgesetzt sind, merken sich ihre Zellen diese Stresssituation und überstehen eine nachfolgende Hitze besser. Dieses „Stressgedächtnis“ haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie und der Universität Potsdam untersucht. Dabei identifizierten sie die Gene, die der Pflanze diese Überlebensstrategie ermöglichen.

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Der linke Teil des Bildes zeigt Keimlinge, die zunächst mit einem moderaten Hitze-Stress (Priming) und anschließend mit hohen Temperaturen (44 °C) behandelt wurden. Der rechte Teil zeigt Keimlinge, die ohne Priming hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Die Experimente machen deutlich, dass das molekulare Hitzestress-Gedächtnis es den Pflanzen ermöglicht, einen ansonsten tödlichen Hochtemperaturstress (44 °C) zu überleben, wenn sie Tage vorher einem moderaten Temperaturstress (Priming) ausgesetzt werden.
Der linke Teil des Bildes zeigt Keimlinge, die zunächst mit einem moderaten Hitze-Stress (Priming) und anschließend mit hohen Temperaturen (44 °C) behandelt wurden. Der rechte Teil zeigt Keimlinge, die ohne Priming hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Die Experimente machen deutlich, dass das molekulare Hitzestress-Gedächtnis es den Pflanzen ermöglicht, einen ansonsten tödlichen Hochtemperaturstress (44 °C) zu überleben, wenn sie Tage vorher einem moderaten Temperaturstress (Priming) ausgesetzt werden.
(Bild: Justyna Jadwiga Olas, MPI-MP)

Potsdam – Der Sommer lässt so manchen richtig aufblühen. Insbesondere aber Pflanzen profitieren von der Sonne, die sie für ihre Photosynthese nutzen. Doch zu viel Hitze schadet ihnen und kann sich negativ auf das Wachstum auswirken. Ganz ungeschützt sind die Pflanzen aber nicht gegen den Hitzestress. Denn wenn sie die erste Hitze überstanden haben, erinnern sie sich noch eine Weile daran und können einen zweiten, nachfolgenden Stress besser überstehen bzw. überleben. Über diese Erinnerungsfähigkeit pflanzlicher Zellen ist bisher allerdings nur wenig bekannt, weshalb Forschende des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) und der Universität Potsdam die Mechanismen des Stressgedächtnisses von Pflanzen nun genauer untersucht haben.

Gene gegen Hitzestress

Ein Stressgedächtnis zu besitzen, ist eine überaus wichtige Anpassung an schwankende Umweltbedingungen. Auf einen warmen Tag folgen sehr wahrscheinlich weitere warme oder sogar heiße Tage. Aber wie merken Pflanzen sich das, ohne ein Gehirn zu besitzen? „In der Regel sind die einzelnen Zellen in der Lage, auf einen akuten Stress zu reagieren“, sagt Justyna Jadwiga Olas, Erstautorin der Studie. „Dies geschieht auf unterschiedlichen Ebenen. So kann zum Beispiel der Stoffwechsel verändert werden oder entsprechende Gene können an- oder abgeschaltet werden, wodurch es zur Bildung oder Reduktion entscheidender Proteine in der Zelle kommt.“

Ein zentrales Element für die Stressresistenz der Pflanzen ist das so genannte Sprossscheitel-Meristem. Mit seinen Stammzellen generiert es ein eigenständiges, starkes Hitzestressgedächtnis, unabhängig von anderen benachbarten Zellen. „Das Meristem ist aufgrund seiner Funktion ein besonders wichtiges Gewebe, das funktionsfähig bleiben muss, damit pflanzliches Wachstum erhalten bleiben kann“, erklärt Bernd Müller-Röber, Professor für Pflanzenphysiologie an der Universität Potsdam. „Wir konnten nun zeigen, dass Gene des Kohlenhydratstoffwechsels, der Proteinfaltung und der Meristemerhaltung als wichtige Komponenten der Hitzestresserinnerung im Sprossscheitel dienen.“ Diese Gene kodieren für

  • eine Aldolase (FBA6) – ein Enzym des Kohlenhydratstoffwechsels –, welches somit für die Energiezufuhr verantwortlich ist
  • ein Hitzeschockprotein (HSP17.6A), welches andere Proteine vor der Zerstörung unter Hitze schützt
  • zwei Stammzellregulatoren (CLAVATA 1 und 3).

Mit mildem Stress auf die große Hitze vorbereiten

Dass Pflanzen durch einen ersten milden Stress ein Erinnerungsvermögen aufbauen, ist aus ökologischer Sicht besonders wichtig. Ein späterer starker Stress, der sogar zum Tode führen könnte, kann somit abgemildert werden. Besonders ein Schutz des Meristems ist wichtig, damit die Pflanze weiterwachsen und neue Blätter ausbilden kann, v. a. wenn abgestorbene Organe ersetzt werden müssen. Die Erneuerungsfähigkeit der Stammzellen macht dies möglich.

„Es wurde auch deutlich, dass aufgrund des Hitzegedächtnisses ein zweiter, stärkerer Stress das Pflanzenwachstum nur verzögert, aber nicht langfristig hemmt“, sagt Müller-Röber. „Eine Wachstumshemmung während einer Hitzeperiode ist absolut sinnvoll und überlebensnotwendig, da dadurch auch die Blütenbildung während dieser Zeit verhindert und somit einem möglichen Ertragsverlust entgegengewirkt wird.“ Die Fähigkeit einer Pflanze, ein Gedächtnis zu bilden und sich somit an kommende Stressbedingungen anzupassen, ist demnach v. a. auch für die Landwirtschaft von großem Interesse, um in Zukunft klimaresistentere Pflanzen züchten zu können. Ein genaueres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen könnte Grundlage für die zukünftige Sortenentwicklung sein.

Originalpublikation: Justyna Jadwiga Olas, Federico Apelt, Maria Grazia Annunziata, Sheeba John, Sarah Isabel Richard, Saurabh Gupta, Friedrich Kragler, Salma Balazadeh, Bernd Mueller Roeber: Primary carbohydrate metabolism genes participate in heat stress memory at the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana, Molecular Plant, 26.Mai 2021; DOI: 10.1016/j.molp.2021.05.024

* Dr. U. Glaubitz, Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, 14476 Potsdam

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