Arabidopsis - Forschung Stressstoleranz

Hitze, Dürre, Überflutung – Was macht Pflanzen stresstolerant?

An Modellpflanzen erforscht die Arbeitsgruppe von Uwe Sonnewald die molekularen Mechanismen, die der Reaktion von Pflanzen auf Stress zugrunde liegen. Angesichts des Klimawandels bemühen sich Pflanzenforscher und Züchter schon länger, Nutzpflanzen zu züchten, die unempfindlicher gegenüber schädlichen Einflüssen wie Hitze und Trockenheit sind. Molekulare Untersuchungen können dazu beitragen, die Züchtung stresstoleranter Nutzpflanzen zu beschleunigen.

Uwe Sonnewald

Prof. Uwe Sonnewald, Lehrstuhl für Biochemie der Universität Erlangen-Nürnberg, untersucht, wie Pflanzen auf verschiedene Stressfaktoren reagieren.

Arabidopsis

Pflanzen, die in der Klimakammer starker Hitze und Trockenheit ausgesetzt wurden, stellen im Gegensatz zu den Kontrollpflanzen ihre Blätter hoch.

Pflanzenscanner

Mit einem speziellen Scanner ist es möglich, das Wachstum der Pflanzen, beispielsweise die Entwicklung ihrer Blattfläche, sehr genau zu verfolgen. Der Scanner wurde am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen entwickelt.

Arabidopsis im Gewächshaus

Von den Pflanzen, die in der Klimakammer gewachsen sind, werden Blattproben genommen.

zerkleinerte Blattprobe

Das homogenisierte Blattgewebe wird auf seine biochemische Zusammensetzung hin untersucht.

RNA-Analyse

Die Analyse von RNA, Proteinen und anderen Stoffwechselprodukten gibt Aufschluss darüber, welche Gene an der Reaktion der Pflanzen auf Stress beteiligt sind.

Fotos: i-bio

Sie ist klein, soll aber bei der Lösung großer Probleme helfen: Arabidopsis thaliana, die Ackerschmalwand. Am Lehrstuhl für Biochemie der Universität Erlangen-Nürnberg wachsen Hunderte ihrer Vertreter in Klimakammern. Dort müssen sie mit Hitze zurechtkommen, mit Trockenheit, oder sie werden mit Viren infiziert.

Uwe Sonnewald und sein Team wollen herausfinden, wie die Pflanzen auf diese äußeren Einflüsse reagieren. „Wir wollen sehen, wie die unterschiedlichen Gene in diesen Situationen reguliert werden, und wir wollen Gennetzwerke erkennen“, sagt Uwe Sonnewald beim Rundgang durch die Labore. „Was wir dafür machen müssen, ist zunächst eine kontrollierte Anzucht der Pflanzen, das heißt, wir haben ganz gezielten Hitzestress, ganz gezielten Trockenstress und auch ganz gezielten Virusstress in allen Kombinationen.“

Pflanzen, die besser mit äußeren Stressfaktoren zurechtkommen – dieses Ziel verfolgen Pflanzenforscher und Züchter immer intensiver. Im Zuge des Klimawandels werden auch in unseren gemäßigten Breiten vermehrt Dürre- und Hitzeperioden auftreten, ebenso starke Niederschläge und Überschwemmungen. All das kann das Wachstum von Pflanzen beeinträchtigen und ihre Anfälligkeit gegenüber Krankheitserregern vergrößern. Die Züchtung unserer Kulturpflanzen war bislang vor allem auf Ertragssteigerung ausgerichtet. Natürliche Resistenzen gegen schädliche Umwelteinflüsse gingen dadurch fast vollständig verloren.

Pflanzenforscher haben bereits eine Reihe von Mechanismen aufgedeckt, mit denen Pflanzen sich beim Auftreten einzelner Stressfaktoren zu schützen versuchen. An der Universität Erlangen-Nürnberg werden nun die Auswirkungen mehrerer gleichzeitig auftretender Stressfaktoren untersucht, um der Situation im Freien näherzukommen. Dabei arbeiten die Wissenschaftler zunächst nicht mit Nutzpflanzen, sondern mit der Ackerschmalwand, denn diese ist klein und benötigt wenig Platz, hat eine kurze Generationszeit, und ihr Genom ist klein und vollständig charakterisiert. Deshalb wird sie weltweit als Modellpflanze für die Grundlagenforschung genutzt.

Die Arabidopsis-Pflanzen in den Klimakammern werden genau beobachtet: In Abständen von zwei bis drei Tagen werden sie in einem eigens entwickelten Pflanzenscanner mit einem Laser abgetastet. „Wir können damit kleinste Änderungen im Wachstum der Pflanzen erfassen“, erläutert Uwe Sonnewald, „das ist wichtig, um zu sehen, wie die Pflanzen mit dem Stress fertigwerden.“ Dabei sind deutliche Unterschiede zu beobachten, denn die Pflanzen stammen aus verschiedenen Klimazonen. Die Ackerschmalwand kommt in Europa, Nordafrika und Asien vor, und innerhalb der Art haben sich verschiedene Ökotypen entwickelt, die an ganz unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst sind. Neben den natürlichen Ökotypen werden auch mutierte Arabidopsis-Pflanzen untersucht, die besonders empfindlich auf ein pflanzeneigenes Hormon reagieren, das bei Stress eine wichtige Rolle spielt.

Die Unterschiede zwischen den Pflanzen lassen sich nicht nur beim Wachstum beobachten, sondern zeigen sich auch auf molekularer Ebene. Wenn die Wachstumsversuche in der Klimakammer abgeschlossen sind, nehmen die Wissenschaftler von allen Pflanzen Blattproben. Daraus werden die Proteine und sonstigen Stoffwechselprodukte gewonnen, außerdem die RNA, die die Information dafür transportiert, welche Stoffwechselprozesse in den Pflanzenzellen ablaufen sollen. Mit modernen Hochdurchsatzverfahren werden Hunderte verschiedener Moleküle daraufhin untersucht, ob und in welcher Menge sie in den verschiedenen Blattproben vorkommen. Die Ergebnisse gleichen einem riesigen Puzzle, das mit Hilfe der Bioinformatik schrittweise zusammengesetzt werden muss. Das Ziel ist die Aufdeckung von so genannten regulatorischen Netzwerken, also Gruppen von Genen, die gemeinsam an- oder abgeschaltet werden oder die sich gegenseitig regulieren.

„Dieses Wissen wollen wir verwenden, um die gleichen Untersuchungen auch in Nutzpflanzen zu machen,“ so Uwe Sonnewald, „zunächst, um zu schauen, ob ähnliche Prozesse dort stattfinden, und dann, wenn es gutgeht, sie zu übertragen auf die Nutzpflanzen, um sie für eine sich ändernde Umwelt besser zu wappnen.“ Seine Arbeitsgruppe führt bereits erste Untersuchungen mit Reis durch. Hat man Gene oder Genvarianten gefunden, die einer Nutzpflanze helfen können, sich bei Stress zu schützen, so kann man diese Information für die Präzisionszüchtung nutzen – wenn die betreffenden Gene im Genom der jeweiligen Nutzpflanzenart vorhanden sind. Anderenfalls müsste man den Einsatz gentechnischer Methoden in Erwägung ziehen. In jedem Fall dürfte die Aufdeckung der molekularen Grundlagen der Stresstoleranz dazu beitragen, die Züchtung stresstoleranter Nutzpflanzen zu beschleunigen.

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