Wie spüren und verarbeiten Pflanzen ihre Umgebungstemperatur?

Text: DR. MARINA KORN

Pflanzen leiden zunehmend unter den Folgen des Klimawandels. Diese gefährden unter anderem die Landwirtschaft, Ernährungssicherheit und Biodiversität, da viele Arten aussterben. Pflanzen haben zwar im Laufe der Evolution vielfältige Mechanismen zur Anpassung an die sich ändernden Umgebungstemperaturen entwickelt, doch sind viele Pflanzen nicht in der Lage, sich schnell genug anzupassen. Nun stellt sich die Frage: Wie funktionieren die Schutzmechanismen von Pflanzen auf molekularbiologischer Ebene und wie können wir uns dieses Wissen zunutze machen?

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Philip Wigge und seine Gruppe identifizierten einzelne Proteine und RNA-Moleküle, die als Miniatur-Temperatursensoren in Pflanzenzellen fungieren können. Hier sind Pflanzenzellen sichtbar, die temperaturempfindliche Proteine enthalten (in grün). Die Proteine innerhalb der Zellen nehmen als Reaktion auf eine erhöhte Temperatur eine fleckenartige Gestalt an. Dies führt zu Veränderungen in der Genexpression der Pflanze und erlaubt ihr, sich an Hitze anzupassen. © Maolin Peng

Zur Anpassung an sich ändernde Umgebungstemperaturen haben Pflanzen im Laufe der Evolution vielfältige Mechanismen entwickelt. Unter Anderem müssen Pflanzen Informationen zur Umgebungstemperatur schnell erfassen und ihren Stoffwechsel daran anpassen können, um zu überleben. Pflanzen verwenden Temperaturinformationen, um saisonale Entscheidungen zu treffen, zum Beispiel wann sie blühen und wachsen sollen, oder reagieren auf kurzfristige Änderungen, um sich vor Kälte- und Hitzestress zu schützen. Für all diese Reaktionen müssen Pflanzen in der Lage sein, die aktuelle Temperatur zu erfassen.

In einem Forschungsprojekt “TIPTOP” möchte Philip Wigge molekulare Mechanismen zur Temperaturmessung in Pflanzen aufklären, um zu verstehen, wie sie auf ihre aktuellen Umweltbedingungen reagieren:

Die Forschung an den Mechanismen, mit denen Pflanzen die Temperatur erfassen und ihr Verhalten anpassen, ist in Zeiten des raschen Klimawandels für die Landwirtschaft von besonderer Bedeutung. Pflanzen sind besonders anfällig für schnelle Temperaturänderungen.

Zum Beispiel kam es in den letzten Wochen zum Verlust von mindestens einem Drittel der französischen Weinproduktion im Wert von 2 Milliarden Euro aufgrund von Kälteeinbrüchen. Hitzestress kann auch Ernteverluste verursachen, man geht von etwa 10 Prozent Ernteverlust für jeden weiteren Temperaturanstieg von 1 ºC aus. Da extreme Wetterereignisse aufgrund der Klimaerwärmung immer häufiger auftreten, ist es von größter Bedeutung, dass wir verstehen, wie Pflanzen Temperaturinformationen erfassen und verwenden, damit wir klimaresistente Pflanzen züchten können.

Pflanzen müssen auf Temperaturänderungen reagieren können, um ihr Überleben sicherzustellen. Sie passen auch ihren Lebenszyklus, beispielsweise Blütenentwicklung und Wachstumsphase, an die sich verändernden Temperaturen von Jahreszeiten an. Pflanzen sehen bei höheren oder niedrigeren Temperaturen deutlich anders aus, hier am Beispiel von Arabidopsis thaliana: Die linke Pflanze wächst bei 22 ºC; sie blüht spät und wächst langsamer. Die rechte Pflanze dagegen wurde innerhalb derselben Wachstumszeit bei 27 ºC gehalten und hat bereits Blüten gebildet. © Bild: Mingjun Gao

Im Projekt TIPTOP untersucht Philip Wigge, wie Pflanzen ein korrektes Temperatursignal ermitteln können, auch wenn das sie umgebende Makro- und Mikroklima kurzfristig starken Schwankungen unterliegt. Bisher unbekannt sind auch die Prozesse, wie die Temperatursignale, die in einzelnen Zellen ermittelt werden, über die gesamte Pflanze integriert werden, um dann eine koordinierte Reaktion durch Veränderung von Wachstums- und Entwicklungsvorgängen auszulösen. Das Projekt nutzt die jüngsten Erkenntnisse von Wigges Team, das erforscht, wie einzelne Proteine und RNA-Moleküle als Miniatur-Temperatursensoren fungieren, und nutzt synthetische Biologie, um temperaturempfindliche Schaltkreise in der Zelle neu zu konstruieren.

Prof. Philip A. Wigge leitet den Programmbereich „Funktionelle Pflanzenbiologie“ am IGZ und erforscht in seiner Arbeitsgruppe insbesondere die pflanzliche Temperatursensorik. Mit seiner Gruppe entziffert Philip Wigge die zugrundeliegenden Mechanismen der Temperaturwahrnehmung und nutzt dieses Wissen für die Züchtung klimaresistenter Nutzpflanzen für den Gartenbau. © Mike Thornton

Weiterführende Informationen

Prof. Philip A. Wigge ist mit der Bewilligung für dierenommierte Förderung eines ERC Advanced Grant ausgezeichnet worden. Für seine zukunftsweisende Forschung im Projekt „TIPTOP -Temperature Integration via Phase Change and Translation of Proteins in Plants“ erhält er von der Europäischen Kommission 2,14 MillionenEuro über einen Zeitraum von fünf Jahren. Die ERC Advanced Grantsunterstützen herausragende leitende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ganz Europa in ihrer Spitzenforschung „TIPTOP – Temperature Integration via Phase Change and Translation of Proteins in Plants“.