Pflanzen haben ein molekulares „Gedächtnis“ - Hitzestress bewirkt Aufbau eines Erinnerungsvermögens in pflanzlichen Zellen

Wie eine Pflanze wächst, hängt einerseits von ihrem genetischen Bauplan ab, zum anderen aber davon, wie die Umwelt molekulare und physiologische Prozesse beeinflusst. Von besonderer Bedeutung sind dabei die sogenannten Meristeme, jene teilungsfähigen Gewebe, in denen die pflanzlichen Stammzellen enthalten sind. Das Sprossscheitelmeristem ist hierbei entscheidend für das Wachstum der überirdischen Organe. Forschende rund um Bernd Müller-Röber am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) und an der Universität Potsdam haben untersucht, wie das Sprossscheitelmeristem auf Hitzestress reagiert und fanden heraus, dass es ein Stressgedächtnis entwickelt. Aufgrund dieser Erinnerungsfähigkeit ist es in der Lage, besser auf einen weiteren nachfolgenden Stress zu reagieren und tödliche Stressereignisse sogar zu überleben. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden nun in Molecular Plant.

Viele äußere Einflussfaktoren bestimmen das Wachstum einer Pflanze. Licht, Nährstoff- und Wasserangebot, Temperatur, sowie die Verfügbarkeit von Kohlenstoffdioxid. Vor allem plötzlicher Umweltstress, wie Hitze, wirkt sich negativ auf die Pflanze und ihr Wachstum aus. Sind pflanzliche Zellen in der Lage, nicht nur auf einen Stress zu reagieren, sondern sich an diesen auch zu erinnern, ist es ihnen möglich, besser auf einen zweiten, nachfolgenden Stress zu antworten und sogar einen sonst tödlichen Stress zu überleben. Über die Erinnerungsfähigkeit pflanzlicher Zellen ist bisher allerdings nur wenig bekannt.

Ein Stressgedächtnis zu besitzen, ist eine überaus wichtige Anpassung an schwankende Umweltbedingungen. Auf einen warmen Tag folgen sehr wahrscheinlich weitere warme oder sogar heiße Tage. Aber wie machen Pflanzen das, ohne ein Gehirn zu besitzen?

„In der Regel sind die einzelnen Zellen in der Lage, auf einen akuten Stress zu reagieren. Dies geschieht auf unterschiedlichen Ebenen. So kann zum Beispiel der Stoffwechsel verändert werden oder entsprechende Gene können an- oder abgeschaltet werden, wodurch es zur Bildung oder Reduktion entscheidender Proteine in der Zelle kommt“, erklärt Justyna Jadwiga Olas, Erstautorin der Studie.

Das Sprossscheitelmeristem besitzt ein eigenes Hitzegedächtnis

Das Sprossscheitelmeristem mit seinen Stammzellen generiert ein eigenständiges, starkes Hitzestressgedächtnis auf Transkriptionsebene, unabhängig von anderen benachbarten Zellen. „Das Meristem ist aufgrund seiner Funktion ein besonders wichtiges Gewebe, das funktionsfähig bleiben muss, damit pflanzliches Wachstum erhalten bleiben kann. Wir konnten nun zeigen, dass Gene des Kohlenhydratstoffwechsels, der Proteinfaltung und der Meristemerhaltung als wichtige Komponenten der Hitzestresserinnerung im Sprossscheitel dienen“, fasst Bernd Müller-Röber zusammen.

Das Meristem selbst besitzt keine Chloroplasten, in denen die Photosynthese und somit die Zuckerproduktion stattfinden. Demnach ist es auf die Zuckerzufuhr der umliegenden Blätter angewiesen. In den Untersuchungen wurde deutlich, dass die Zuckerverfügbarkeit ein wichtiger Faktor für das Temperaturgedächtnis des Meristems ist.

In einer umfassenden Genexpressionanalyse konnten die Forschenden verantwortliche Gene des Hitzestressgedächtnisses identifizieren. Diese kodieren für eine Aldolase (FBA6), ein Enzym des Kohlenhydratstoffwechsels, welches somit für die Energiezufuhr verantwortlich ist, für ein Hitzeschockprotein (HSP17.6A), welches andere Proteine vor der Zerstörung unter Hitze schützt und zwei Stammzellregulatoren (CLAVATA 1 und 3). „Im Vergleich zu anderen Organen, wie den Blättern, konnten wir zeigen, dass im Meristem eine unabhängige, gewebespezifische Regulation vorliegt. Sowohl die Komponenten, als auch die Geschwindigkeiten der einzelnen Reaktionen unterscheiden sich stark von den Reaktionen in anderen Organen“, beschreibt Justyna Jadwiga Olas.

Hitzestress limitiert Wachstum und Ertrag

Dass Pflanzen durch einen ersten milden Stress ein Erinnerungsvermögen aufbauen, ist aus ökologischer Sicht besonders wichtig. Ein späterer starker Stress, der sogar zum Tode führen könnte, kann somit abgemildert werden. Vor allem ein Schutz des Meristems ist wichtig, damit die Pflanze im Nachhinein weiterwachsen und neue Blätter ausbilden kann, vor allem wenn abgestorbene Organe ersetzt werden müssen. Die Erneuerungsfähigkeit der Stammzellen macht dies möglich.

„Es wurde auch deutlich, dass aufgrund des Hitzegedächtnisses ein zweiter, stärkerer Stress das Pflanzenwachstum nur verzögert, aber nicht langfristig hemmt. Eine Wachstumshemmung während einer Hitzeperiode ist absolut sinnvoll und überlebensnotwendig, da dadurch auch die Blütenbildung während dieser Zeit verhindert und somit einem möglichen Ertragsverlust entgegengewirkt wird“, erläutert Müller-Röber. Die Fähigkeit einer Pflanze, ein Gedächtnis zu bilden und sich somit an kommende Stressbedingungen anzupassen, ist demnach vor allem auch für die Landwirtschaft von großem Interesse, um in Zukunft klimaresistentere Pflanzen züchten zu können. Ein genaueres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen könnte Grundlage für die zukünftige Sortenentwicklung sein.

Kontakt

Prof. Dr. Bernd Müller-Röber
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie/Universität Potsdam
Tel. 0331/567 8351 oder 0331/977 2650
Mueller@mpimp-golm.mpg.de; bmr@uni-potsdam.de

Ursula Ross-Stitt
Leiterin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8310
ross-stitt@mpimp-golm.mpg.de
http://www.mpimp-golm.mpg.de

Originalveröffentlichung

Justyna Jadwiga Olas, Federico Apelt, Maria Grazia Annunziata, Sheeba John, Sarah
Isabel Richard, Saurabh Gupta, Friedrich Kragler, Salma Balazadeh, Bernd Mueller‑Roeber

Primary carbohydrate metabolism genes participate in heat stress memory at the shoot
apical meristem of Arabidopsis thaliana

Molecular Plant, 26.Mai 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.05.024