Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Mechanismen der Frosttoleranz von Pflanzen aufgedeckt

26.09.2016

Mit Hormonen Frost und Kälte trotzen

Pflanzen können sich nicht einfach ein geeigneteres Umfeld suchen, wenn ihnen die Standortbedingungen nicht mehr passen. Stattdessen haben sie ausgeklügelte molekulare Anpassungsmechanismen entwickelt. Wie Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz Zentrum München und der University of Nottingham jetzt zeigen konnten, erhöhen die bislang vor allem als Wachstumshormone bekannten Brassinosteroide die Resistenz von Pflanzen gegenüber Frost.


In der Landwirtschaft und im Gartenbau wird Frühfrost (früh im Jahr; noch in der Vegetationsperiode) gefürchtet, weil er – genau wie Spätfrost – zu Ernteausfällen führen kann. Bei Frühfrostgefahr wird frostberegnet etwa bei Apfelbäumen. (Foto: mit Genehmigung v. D. Mitterer-Zublasing)

"Kältestress gehört zu den Umwelteinflüssen, die direkte Auswirkungen auf das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen zeigen", sagt die Pflanzenmolekularbiologin Professorin Brigitte Poppenberger. Mit ihrer Arbeitsgruppe im TUM-Fachbereich für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen untersucht sie die Mechanismen, mit denen sich Pflanzen äußeren Einflüssen anpassen.

Im Mittelpunkt ihr Forschungen stehen schon seit längerem die Brassinosteroide. So konnte sie bereits in früheren Forschungsarbeiten anhand der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellpflanze aufzeigen, wie genau diese 1979 erstmals beim Raps identifizierten Pflanzenhormone das Wachstum von Pflanzen fördern.

Tatsächlich war schon lange bekannt, dass sie bei der Entwicklung der Pflanzen eine Rolle spielen. Der genaue Wirkmechanismus jedoch blieb im Dunkeln. Erst durch die Arbeit der Biotechnologen am TUM-Standort in Weihenstephan konnte dieser genau verstanden werden.

Nicht zufällig entschied sich Brigitte Poppenberger für ihre aktuelle Studie erneut für die Ackerschmalwand. Wegen ihrer Anspruchslosigkeit, einfachen Struktur und ihrem kleinem Wuchs gilt sie nicht nur als Lieblingspflanze der Genetiker im Allgemeinen. Auch für die Suche nach den Kälteschutzmechanismen von Pflanzen bietet das kleine Kraut optimale Voraussetzungen, denn es überlebt bei niedrigen Temperaturen und kann seine Frosttoleranz durch Kälteanpassung erhöhen.

In der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) beschreibt Poppenberger nun die bis dato unbekannte Seite der bislang als Wachstumshormone bekannten Brassinosteroide.

Um die 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 damit beginnt, in ihren Zellen sämtliche von der DNA in RNA umgeschriebene Gene zu verändern. "Dadurch verringert sich ihr Wachstum, wodurch sich ihre Überlebenschancen erhöhen", erklärt sie den natürlichen Schutzmechanismus der normalen Pflanzen.

Molekularer Weg zum Winterspeck

Ein anderes Ergebnis erhielten die Forscher bei ihren Versuchen mit genetisch veränderten Modellpflanzen, die Brassinosteroide nicht mehr selbst herstellen oder als Signal erkennen konnten. Während Wildtypformen Temperaturen von Minus sechs Grad noch oft überdauerten, zeigte der Großteil der Mutanten bereits deutliche Schäden, was die essentielle Funktion der Steroidhormone in diesem Prozess beweist. Wie die Forscher bei der Analyse des Vorgangs herausfanden, erhöhen Brassinosteroide die Frostresistenz, indem sie ein Protein namens CESTA regulieren. Dieses steuert in einer Signalkaskade die Expression von Genen, bei der DNA in RNA umgeschrieben wird. Auf diese Weise beeinflusst es in weiterer Folge die Proteinzusammensetzung der Zellen, was unter anderem zu einer veränderten Fettsäurekomposition führt. Dadurch wird auf molekularer Ebene dafür gesorgt, dass sich die Pflanze quasi einen Winterspeck zulegt, der sie vor Kälteschäden schützt.

Hormonelles Pflanzendoping aus der Düse

Diese genauen Kenntnisse der Reihenfolge und Art der chemischen Prozesse bei der pflanzlichen Steroidhormonwirkung stellen nicht nur wichtige Fortschritte für die grundlegende Erforschung der Anpassungsstrategien bei Pflanzen dar. Vielmehr bieten sie aus Sicht der Forscher darüber hinaus 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, welche verheerende Ernteausfälle zur Folge haben können. "Der konventionelle Weg resistentere Pflanzen zu züchten, ist bislang wenig erfolgreich gewesen, da Kälteresistenz und vermindertes Wachstum schwer zu trennen sind", sagt Brigitte Poppenberger. "Doch durch unsere Entdeckung, dass Brassinosteroide Wachstum und Kälteresistenz gleichermaßen fördern, bieten sich neue Möglichkeiten, beide Merkmale bei Pflanzen hervorzubringen", ist sie überzeugt. Auch sei es möglich Nutzpflanzen mit Brassionosteroiden zu besprühen, um beide Wirkungen zu erzielen. "Das könnte ein gangbarer Weg sein - jedenfalls legen die Ergebnisse das nahe."

Publikation:

Marina Eremina , Simon J. Unterholzner, Ajith I. Rathnayake , Marcos Castellanos , Sean T. May, Klaus F. X. Mayer, Wilfried Rozhon and Brigitte Poppenberger: Brassinosteroids participate in the control of basal and acquired freezing tolerance of plants, PNAS 2016. doi: 10.1073/pnas.1611477113

Kontakt:
Technische Universität München
Professur für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen
Prof. Dr. Brigitte Poppenberger
Tel.: +49 8161 71-2401
brigitte.poppenberger@wzw.tum.de

www.bgk.wzw.tum.de

Weitere Informationen:

http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/33364/

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie