Steroidhormone tragen zur Hitzestressresistenz von Pflanzen bei
Wie Pflanzen auf Hitzestress reagieren
Es mag schwer fallen sich jetzt im Winter noch daran zu erinnern, aber der Juli 2021 war der heißeste Monat, der jemals dokumentiert wurde. In den USA lag die Temperatur 2,6 Grad Fahrenheit höher als im langjährigen Durchschnitt und Europa verzeichnete in vielen seiner südlichen Länder Temperaturen von über 45 Grad Celsius, mit einem Allzeit-Rekordhoch von 48,8 Grad Celsius an der Ostküste Siziliens.
Solche Hitzeperioden, mit immer neuen Rekordtemperaturen, sind in den letzten Jahrzehnten deutlich häufiger geworden, was als Folge des Klimawandels gewertet wird. Hitzewellen treten regelmäßiger auf, werden heißer und dauern länger an, mit schwerwiegenden Folgen nicht nur für Mensch und Tier, sondern auch für Pflanzen. „Hitzestress gefährdet Pflanzen in ihren natürlichen Lebensräumen und destabilisiert Ökosysteme. Aber auch die Erträge von Nutzpflanzen können drastisch reduzieren werden, was unsere Nahrungsmittelsicherheit gefährdet“, sagt Brigitte Poppenberger, Professorin für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen an der TUM.
Zellen aktivieren zum Schutz vor Hitze eine molekulare Abwehrreaktion
Pflanzen haben Fähigkeiten entwickelt, um kurze Hitzeperioden zu überstehen: Sie können einen molekularen Signalübertragungsweg aktivieren, die so genannte Hitzeschockreaktion. Diese Reaktion nutzen alle Organismen. Sie schützt Zellen unter anderem vor Schäden durch proteotoxischen Stress, der Proteine schädigt und nicht nur durch Hitze, sondern auch durch andere Faktoren verursacht werden kann. Dies sind etwa bestimmte Toxine, UV-Licht oder zu hohe Salzkonzentrationen in Böden.
Die Hitzeschockantwort schützt die Zellen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Produktion sogenannter Hitzeschockproteine, die als molekulare Schutzschilder dienen, um eine Fehlfaltung von Proteinen zu vermeiden.
Brassinosteroide können die Hitzestressresistenz von Pflanzen erhöhen
Pflanzen antworten auf den Hitzestress unter anderem mit so genannten Hitzeschockfaktoren aber auch mit anderen molekularen Akteuren. Insbesondere Hormone, also chemische Botenstoffe, sind hier beteiligt. Eine Gruppe von Hormonen sind die Brassinosteroide, Steroide, die Pflanzen bilden, um ihr Wachstum und ihre Entwicklung zu regulieren. Neben wachstumsfördernden Eigenschaften besitzen sie auch andere interessante Fähigkeiten: Sie können die Hitzestressresistenz von Pflanzen erhöhen. Forschende der TUM haben herausgefunden, was zu dieser Schutzfähigkeit beiträgt.
Unter Nutzung der Modell-Pflanze Arabidopsis thaliana konnte die Gruppe von Prof. Brigitte Poppenberger aufklären, wie ein bestimmter Transkriptionsfaktor, also ein spezielles Protein das für das An- und Abschalten bestimmter Abschnitte auf der DNA zuständig ist, von Brassinosteroiden reguliert wird. Dieser Transkriptionsfaktor namens BES1 kann mit Hitzeschockfaktoren interagieren, wodurch genetische Information gezielt genutzt werden kann, um Hitzeschockproteine verstärkt zu synthetisieren.
Wenn die Aktivität von BES1 erhöht wird, werden Pflanzen widerstandsfähiger gegen Hitzestress, wenn sie verringert wird, werden sie empfindlicher. Die Gruppe konnte weiter zeigen, dass BES1 durch Hitzestress aktiviert wird und dass diese Aktivierung durch Brassinosteroide stimuliert wird.
Mögliche Anwendung in der Landwirtschaft und im Gartenbau
„Diese Ergebnisse sind nicht nur für Biologinnen und Biologen interessant, die versuchen, das Verständnis der Hitzeschockreaktion zu erweitern, sondern haben auch Potenzial für eine Anwendung in der Landwirtschaft und im Gartenbau“, sagt Prof. Poppenberger.
Biostimulanzien, die Brassinosteroide enthalten, sind verfügbar und können auf ihre Fähigkeit getestet werden, die Hitzestressresistenz von Pflanzen zu erhöhen. Bei solchen Substanzen handelt es sich um Naturstoffe, die für den ökologischen Landbau zugelassen sind und somit problemlos eingesetzt werden könnten. Alternativ kann BES1 ein interessantes Ziel für Züchtungsansätze darstellen. Damit könnten Sorten geschaffen werden, die hitzestressresistenter sind, und dadurch ertragsstabiler, wenn die nächste Hitzewelle kommt.
Albertos, P., Duendar, G., Schenk, P., Carrera, A., Cavelius, P., Sieberer, T., and Poppenberger, B. (2022): The transcription factor BES1 interacts with HSFA1 to promote heat stress resistance of plants. EMBO Journal. DOI: 10.15252/embj.2021108664
Prof. Brigitte Poppenberger ist Mitglied des Hans Eisenmann-Forums (HEF) für Agrarwissenschaften, einem Zentralinstitut der TUM.
Diese Arbeit wurde von der TUM Universitätsstiftung, der Alexander von Humboldt Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert.
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