Wie reagieren Pflanzen auf Hitzestress?

Landwirtschaft

Molekulare Abwehrreaktion gegen Hitze

Der Juli 2021 war der heißeste Monat, der jemals dokumentiert wurde. In den USA lag die Temperatur 2,6 Grad Fahrenheit höher als im langjährigen Durchschnitt und Europa verzeichnete in vielen seiner südlichen Länder Temperaturen von über 45 Grad Celsius, mit einem Allzeit-Rekordhoch von 48,8 Grad Celsius an der Ostküste Siziliens.

Solche Hitzeperioden, mit immer neuen Rekordtemperaturen, sind in den letzten Jahrzehnten deutlich häufiger geworden, was als Folge des Klimawandels gewertet wird. Hitzewellen treten regelmäßiger auf, werden heißer und dauern länger an, mit schwerwiegenden Folgen nicht nur für Mensch und Tier, sondern auch für Pflanzen. „Hitzestress gefährdet Pflanzen in ihren natürlichen Lebensräumen und destabilisiert Ökosysteme. Aber auch die Erträge von Nutzpflanzen können drastisch reduzieren werden, was unsere Nahrungsmittelsicherheit gefährdet“, sagt Brigitte Poppenberger, Professorin für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen an der Technischen Universität München (TUM).

Die Hitzeschockantwort

Pflanzen haben Fähigkeiten entwickelt, um kurze Hitzeperioden zu überstehen. Sie können einen molekularen Signalübertragungsweg aktivieren, die so genannte Hitzeschockreaktion. Diese Reaktion nutzen alle Organismen. Sie schützt Zellen unter anderem vor Schäden durch proteotoxischen Stress, der Proteine schädigt und nicht nur durch Hitze, sondern auch durch andere Faktoren, wie Toxine, UV-Licht oder hoher Salzkonzentration im Boden verursacht werden kann.

Bei der Hitzeschockantwort der Pflanze werden so genannte Hitzeschockproteine als molekulare Schutzschilder gegen die Fehlfaltung von Proteinen erzeugt. Dadurch werden Eiweiße zerstört.

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Brassinosteroide

Zu den Akteuren gehören chemische Botenstoffe – insbesondere Hormone. Bei den Pflanzen regulieren Brassinosteroide Wachstum und Entwicklung und können die Hitzefestigkeit der Pflanze erhöhen.

Die Hitzeschockfaktoren aktivieren über das Hormon das Protein BES1, das auf der DNS An- und Abschalten bestimmter Abschnitte zuständig ist. Mit steigender BES1-Aktivität steigt die Hitzefestigkeit. „Diese Ergebnisse sind nicht nur für Biologinnen und Biologen interessant, die versuchen, das Verständnis der Hitzeschockreaktion zu erweitern, sondern haben auch Potenzial für eine Anwendung in der Landwirtschaft und im Gartenbau“, sagt Prof. Poppenberger.

Für die Praxis: Es gibt Biostuimulanzien, die dritte Kategorie zwischen Dünger und Pflanzenschutzmittel, die Brassinosteroide enthalten. Die sind für den ökologischen Landbau bereits zugelassen und könnten auf ihre Wirksamkeit gegen Hitzestress getestet werden. Alternativ ist der Zusammenhang zwischen Steroid und Protein auch für die Züchtung interessant.

Lesestoff:

Albertos, P., Poppenberger, B. et al. (2022) The transcription factor BES1 interacts with HSFA1 to promote heat stress resistance of plants. EMBO Journal. DOI: 10.15252/embj.2021108664. URL: https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2021108664

roRo; Foto: A. Heddergott / TUM

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