Studie zeigt: Heißes Wetter schwächt das Immunsystem von Pflanzen
Unter Wissenschaftlern weltweit herrscht Unsicherheit darüber, warum die Abwehrkräfte von Pflanzen gegen Krankheitserreger bei steigenden Temperaturen nachlassen. Die Lösung könnte jedoch in der Genetik liegen.
Wissenschaftler versuchen seit langem zu verstehen, warum Pflanzen bei steigenden Temperaturen anfälliger für Krankheiten werden.
Während die entsprechende Forschung noch im Gange ist, suchte eine Gruppe von Forschern von Universitäten aus aller Welt nach Wegen, die Abwehrfähigkeit der Pflanzen gegen Krankheitserreger bei heißem Wetter wiederherzustellen.
Da sich der Klimawandel beschleunigt, werden wir unter Druck stehen, Erkenntnisse im Labor zu gewinnen und diese schneller in die Praxis umzusetzen. Ich kann mir nicht vorstellen, wie wir das ohne eine größere Akzeptanz gentechnisch veränderter Pflanzen schaffen sollen.
„Pflanzen erkranken bei warmen Temperaturen viel häufiger, weil ihre Grundimmunität geschwächt ist“, sagte Sheng-Yang He, Pflanzenbiologe an der Duke University, der das Forschungsteam leitete. „Deshalb wollten wir wissen: Wie nehmen Pflanzen die Hitze wahr? Und können wir das tatsächlich beheben, um Pflanzen hitzeunempfindlich zu machen?“
Die in Nature veröffentlichte Studie konzentrierte sich auf Arabidopsis thaliana, ein unscheinbares Unkraut, das allgemein als Ackerschmalwand bekannt ist und von Pflanzenbiologen als „Laborratte der Pflanzen“ betrachtet wird. Arabidopsis thaliana gedeiht an Straßenrändern, auf offenen Wegen und auf Brachflächen und wird aufgrund ihres kurzen Lebenszyklus und ihres kurzen, leicht zu modifizierenden Genoms weltweit für Experimente verwendet.
Siehe auch: Die Untersuchung von Pflanzenreaktionen auf Umweltstressoren als Schlüssel zu einer nachhaltigen LandwirtschaftDie Wissenschaftler erklärten, das wichtigste Abwehrhormon von Arabidopsis thaliana sei Salicylsäure, die von vielen Pflanzen, darunter auch wichtigen Nutzpflanzen, zur Abwehr von Krankheiten genutzt wird. Die Produktion von Salicylsäure kann jedoch gestört werden, wenn die Temperaturen um einige Grad steigen.
„Extreme Wetterbedingungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel beeinflussen viele Aspekte des Pflanzen- und Tierlebens, einschließlich der Reaktion auf Infektionskrankheiten“, schrieben die Forscher. „Die Produktion von Salicylsäure, einem zentralen Abwehrhormon der Pflanzen, ist besonders anfällig dafür, durch kurze Hitzeperioden oberhalb des normalen Pflanzenwachstumstemperaturbereichs über einen unbekannten Mechanismus unterdrückt zu werden.“
Nach jahrelanger Laborarbeit isolierten die Forscher das CBP60g-Gen, das die Produktion des Salicylsäure-Hormons in Pflanzen bei steigenden Temperaturen unterbinden und so deren Abwehrmechanismus neutralisieren kann. Die Lösung umging das Gen auf genetischem Wege, um die Abwehr der Pflanze bei höheren Temperaturen wiederherzustellen.
„Dies war eine mehrjährige und institutionenübergreifende Zusammenarbeit“, erklärte Christian Danve Castroverde, Biologe an der Wilfrid Laurier University in Kanada und Mitautor der Studie, gegenüber Olive Oil Times.
„Im Jahr 2013 entdeckten [wir], dass kurze Perioden mit hohen Temperaturen die hormonelle Abwehr von Arabidopsis-Pflanzen gegen eine Infektion durch das Bakterium Pseudomonas syringae dramatisch beeinträchtigen“, fügte er hinzu. „Nach einigen weiteren Jahren gelang es uns schließlich, die molekulare Grundlage dafür zu identifizieren, wie die Immunität von Arabidopsis durch warme Temperaturbedingungen unterdrückt wird.“
Die Forscher umgingen das Gen im Labor, indem sie einen ‚Promotor‘ hinzufügten. Die kurze DNA-Sequenz zwingt das Gen zur Transkription (Kopieren der DNA-Sequenz in ein RNA-Molekül) und stellt so die Fähigkeit von Arabidopsis thaliana wieder her, das Hormon Salicylsäure zu produzieren.
„Unter Einbeziehung des Salicylsäure-Rezeptors und der Biosynthese-Gene reichte eine optimierte CBP60g-Expression aus, um die Salicylsäureproduktion, die basale Immunität und die Effektor-ausgelöste Immunität bei erhöhter Wachstumstemperatur weitgehend wiederherzustellen, ohne dass es zu nennenswerten Wachstumseinbußen kam“, schrieben die Forscher.
Siehe auch: Forscher arbeiten daran, die für höhere Temperaturen am besten geeigneten Olivensorten zu identifizierenDas Team hat damit begonnen, Genmodifikationen an Nahrungspflanzen wie Raps zu testen. Es plant außerdem, mit weiteren Kulturpflanzen zu experimentieren, darunter Weizen und Kartoffeln. Castroverde sagte jedoch, dass umfangreiche Feldforschungen erforderlich seien, bevor die Lösung in großem Maßstab angewendet werden könne.
„Viele Pflanzen besitzen CBP60g-ähnliche Gene, und viele von ihnen sind in der Lage, Salicylsäure zu produzieren“, sagte er. „Es sieht so aus, als hätten Pflanzen bereits eine Waffe in ihrem Arsenal. Unsere Herausforderung besteht nun darin, diese Kraft nutzbar zu machen. Was landwirtschaftliche Anwendungen angeht, glaube ich, dass wir abwarten müssen, bis wir erfolgreiche Ergebnisse in Feldversuchen vorweisen können.“
Dennoch setzt die vom Forschungsteam vorgeschlagene spezifische Lösung zur Wiederherstellung des pflanzlichen Immunsystems voraus, dass die Verbraucher bereit sind, mehr genetische Manipulationen an ihren Lebensmitteln zu akzeptieren.
„Da sich der Klimawandel beschleunigt, werden wir unter Druck stehen, Erkenntnisse aus dem Labor zu gewinnen und sie schneller in die Praxis umzusetzen“, sagte Marc Nishimura, Experte für Pflanzenimmunität an der Colorado State University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Ich kann mir nicht vorstellen, wie wir das ohne eine größere Akzeptanz gentechnisch veränderter Pflanzen schaffen sollen.“
Eine weitere Studie, die im Juni von Forschern der Chinese University of Hong Kong veröffentlicht wurde, warnte davor, dass die Ernteerträge bis 2050 weltweit um 20 Prozent zurückgehen könnten – aufgrund von Ozonbelastung und den Auswirkungen des Klimawandels
Trotz ihres Erfolgs bei der Wiederherstellung der Hitzebeständigkeit von Arabidopsis thaliana betonten die Forscher, dass die Wissenslücke darüber, wie sich ein wärmeres Klima auf die Wirksamkeit des pflanzlichen Immunsystems auswirkt, „ein zentrales Problem für die künftige landwirtschaftliche Produktivität, den Erhalt der Ökosysteme und das Auftreten neuer Pflanzenkrankheitspandemien“ darstellt.
Sie fügten jedoch hinzu, dass ihre Ergebnisse darauf hindeuten, dass Nutzpflanzen in Zukunft widerstandsfähiger werden könnten.
„Wir konnten das gesamte Immunsystem der Pflanze bei warmen Temperaturen robuster machen“, sagte He, der Pflanzenbiologe von der Duke University. „Wenn dies auch für Nutzpflanzen gilt, ist das eine wirklich große Sache, denn dann verfügen wir über eine sehr mächtige Waffe.“