Brassinosteroide: Mehr als nur Wachstumshormone
Pflanzen verfügen über molekulare Anpassungsmechanismen, um auf veränderte Standortbedingungen zu reagieren. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM), des Helmholtz Zentrums München und der University of Nottingham haben gezeigt, dass Brassinosteroide, bekannt als Wachstumshormone, auch die Frostresistenz von Pflanzen steigern.
Professorin Brigitte Poppenberger, Pflanzenmolekularbiologin an der TUM, untersucht mit ihrer Arbeitsgruppe die Anpassungsmechanismen von Pflanzen an äußere Einflüsse. Ein Schwerpunkt ihrer Forschung sind Brassinosteroide. Frühere Arbeiten an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellpflanze hatten bereits gezeigt, wie diese 1979 im Raps entdeckten Pflanzenhormone das Pflanzenwachstum fördern.
Die genauen Wirkmechanismen dieser Hormone blieben lange unklar. Die Biotechnologen am TUM-Standort Weihenstephan konnten diese Mechanismen entschlüsseln. Für die aktuelle Studie zur Kälteschutzfunktion der Brassinosteroide wurde erneut die Ackerschmalwand gewählt, da sie anspruchslos ist, eine einfache Struktur besitzt und bei niedrigen Temperaturen überleben sowie ihre Frosttoleranz durch Kälteanpassung erhöhen kann.
In der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) beschreibt Poppenberger die bisher unbekannte Funktion der Brassinosteroide im Kälteschutz. Experimente, bei denen Arabidopsis-Pflanzen langsam sinkenden Temperaturen ausgesetzt wurden, sollten die Mechanismen aufklären.
Bei Wildformen im Labor zeigte sich, dass Pflanzen bei Kälte die Genexpression in ihren Zellen verändern. Dies führt zu einem verringerten Wachstum, was die Überlebenschancen erhöht.
Molekulare Anpassung an Kälte
Versuche mit genetisch veränderten Modellpflanzen, die keine Brassinosteroide produzieren oder deren Signal nicht erkennen konnten, lieferten andere Ergebnisse. Während Wildtyp-Pflanzen Temperaturen von minus sechs Grad oft überstanden, zeigten die Mutanten deutliche Schäden. Dies belegt die essentielle Rolle der Steroidhormone in diesem Prozess.
Die Forscher fanden heraus, dass Brassinosteroide die Frostresistenz erhöhen, indem sie ein Protein namens CESTA regulieren. Dieses Protein steuert in einer Signalkaskade die Expression von Genen, was wiederum die Proteinzusammensetzung der Zellen beeinflusst. Dies führt unter anderem zu einer veränderten Fettsäurekomposition, die der Pflanze auf molekularer Ebene einen Schutz vor Kälteschäden bietet.
Anwendungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft
Die Erkenntnisse über die chemischen Prozesse der pflanzlichen Steroidhormonwirkung sind nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig, sondern bieten auch Lösungsansätze für Probleme in der Landwirtschaft, die durch den Klimawandel entstehen. Neben Hitzeperioden ist auch mit vermehrten Früh- und Spätfrösten zu rechnen, die Ernteausfälle verursachen können.
Der konventionelle Weg, resistentere Pflanzen zu züchten, ist bislang wenig erfolgreich gewesen, da Kälteresistenz und vermindertes Wachstum schwer zu trennen sind. Doch durch unsere Entdeckung, dass Brassinosteroide Wachstum und Kälteresistenz gleichermaßen fördern, bieten sich neue Möglichkeiten, beide Merkmale bei Pflanzen hervorzubringen.
Es sei auch denkbar, Nutzpflanzen mit Brassinosteroiden zu besprühen, um beide Wirkungen zu erzielen. Die Ergebnisse der Studie legen dies nahe.
Publikation:
Marina Eremina, Simon J. Unterholzner, Ajith I. Rathnayake, Marcos Castellanos, Sean T. May, Klaus F. X. Mayer, Wilfried Rozhon und Brigitte Poppenberger: Brassinosteroids participate in the control of basal and acquired freezing tolerance of plants, PNAS 2016.