Molekularer Winterspeck bei Pflanzen

Gefrorene Blüten eines Apfelbaums in Südtirol. Steroidhormone können bei Pflanzen eine wichtige Rolle für die Beständigkeit gegenüber Kälte spielen. Quelle: Dietmar Mitterer-Zublasing
Pflanzen können sich nicht einfach ein geeigneteres Umfeld suchen, wenn ihnen die... Kältestress gehört zu den Umwelteinflüssen, die direkte Auswirkungen auf das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen zeigen. Eine zentrale Rolle spielen nach den aktuellen Erkenntnissen dabei auch die sogenannten Brassinosteroide. So konnten die TUM-Forscher um Prof. Brigitte Poppenberger bereits in früheren Forschungsarbeiten anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) aufzeigen, wie genau diese Pflanzenhormone das Wachstum von Pflanzen fördern. Es war schon lange bekannt, dass sie bei der Entwicklung der Pflanzen eine Rolle spielen, der genaue Wirkmechanismus blieb bis jetzt jedoch im Dunkeln. Nicht zufällig entschieden sich die Forscher auch in der aktuellen Studie für die Ackerschmalwand. Die Pflanze überlebt bei niedrigen Temperaturen und kann ihre Frosttoleranz durch Kälteanpassung sogar erhöhen. Um diese Mechanismen aufzuklären führten die Forscher Experimente durch, in denen sie Arabidopsis-Pflanzen langsam sinkenden Temperaturen aussetzten. Bei Versuchen mit Wildformen im Labor zeigte sich, dass die Pflanze bei zunehmender Kälte beginnt, in ihren Zellen sämtliche von der DNA in RNA umgeschriebene Gene zu verändern. Laut den Forschern verringert sich durch diesen natürlichen Schutzmechanismus ihr Wachstum, wodurch sich ihre Überlebenschancen erhöhen.

Molekularer Winterspeck

Genetisch veränderten Modellpflanzen, die Brassinosteroide nicht mehr selbst herstellen oder als Signal erkennen konnten zeigten jedoch bei Temperaturen von minus sechs Grad bereits deutliche Schäden. So war offensichtlich, dass Brassinosteroide die Frostresistenz erhöhen. Auf molekularer Ebene erzeugen diese sogar eine veränderte Fettsäurekomposition in der Pflanze. Sie legt sich dadurch quasi „Winterspeck“ zu, der vor Kälteschäden schützt.

Dem Klimawandel ein Schnippchen schlagen

Die Erkenntnisse bieten somit Lösungen für Probleme, die im Zuge des Klimawandels in der Landwirtschaft aufgetreten sind. Auch wenn die meisten bei globaler Erwärmung nur an das vermehrte Auftreten von Hitzeperioden denken, ist auch verstärkt mit Frostvorkommnissen wie Früh- und Spätfrost zu rechnen, was verheerende Ernteausfälle zur Folge haben kann, so die Forscher. "Die Studie liefert einen interessanten Ansatz, der im Zuge des Klimawandels noch eine große gesellschaftliche Relevanz bekommen könnte", sagt Klaus Mayer, Leiter der Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB) am Helmholtz Zentrum München, die ebenfalls an dem Projekt beteiligt ist.

Weitere Informationen

Original-Publikation: Eremina, M. et al. (2016): Brassinosteroids participate in the control of basal and acquired freezing tolerance of plants. Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.1611477113 Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.  Der Schwerpunkt der selbstständigen Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB)ist die Genom- und Systemorientierte Bioinformatik pflanzlicher Genome. In diesem Rahmen werden Genomverschlüsselungen, Expressionsmuster, funktionelle und systembiologische Fragestellungen untersucht. PGSB verwaltet außerdem einen großen Datensatz pflanzlicher Genome in Datenbanken und macht diese zusammen mit vergleichenden Analysen der Öffentlichkeit zugänglich. PGSB gehört zum Institut für Bioinformatik und Systembiologie.  Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 39.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, ergänzt um Wirtschafts- und Bildungswissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.