Temperaturabhängige Wachstums- und Verteidigungsregulierung

Pflanzen müssen schnell wachsen, weil sie mit ihren Nachbarn im Wettbewerb stehen, müssen aber gleichzeitig eine geeignete Abwehr gegen Pathogene aufrechterhalten. Da Pathogenbekämpfung und Wachstum aufwendige Prozesse sind, benötigen die mehr als 300.000 Pflanzenarten unseres Planeten eine Abstimmung zwischen diesen beiden Vorgängen, um ihr Überleben zu sichern. Die Entscheidung, zu wachsen oder sich zu verteidigen hängt jedenfalls von verschiedenen Informationen ab, die aus der lokalen Umgebung stammen. Daher müssen Pflanzen fühlen können, um auf die Reize aus ihrer Umgebung passend antworten zu können. Eine Zunahme der Umgebungstemperatur beispielsweise kann sowohl Wachstum als auch Verteidigungsmechanismen auslösen. Das Hauptziel dieses Projekts ist es herauszufinden, wie Temperatursignale Wachstums- und Verteidigungsaktivitäten in der Pflanze auslösen. Wir untersuchen den Signalweg, der durch Pflanzensteroide, sogenannte Brassinosteroide (BRs), kontrolliert wird. Der BR-Signalweg ist eines der sehr wenigen Systeme, in welchem die Steuerungswerkzeuge und mechanistischen Details dieser Abstimmung auf molekularer Ebene untersucht werden können. BRs beeinflussen das Wachstum und die Verteidigung der Pflanze und unterstützen je nach Bedarf eine der beiden Aktivitäten. Wie die Abstimmung zwischen Wachstum und Verteidigungsmaßnahmen durch die Umgebungstemperatur beeinflusst wird, ist derzeit größtenteils unbekannt. Ziel unseres Projektes ist es, unter Verwendung von Arabidopsis thaliana als Modellsystem zu erforschen, wie die BR-Signalwege den Pflanzen helfen, bei Veränderungen der Temperatur zwischen Wachstum und Verteidigung auszuwählen. Wir werden dafür genomische, molekulargenetische, biochemische und zellbiologische Methoden anwenden. Eine der größten Herausforderungen der Pflanzenforschung des 21 Jahrhunderts ist die Entwicklung neuen Saatgutes, das gegen die Folgen der globalen Erwärmung unempfindlich und gleichzeitig eine breitenwirksame und lang andauernde Resistenz gegen Pathogene aufweist. Durch die Erforschung, wie sich Pflanzen bei hohen Temperaturen zwischen Wachstum und Verteidigung entscheiden, können wir die konzeptuellen Rahmenbedingungen dieser Vorgänge herausfinden und beschreiben. Dadurch liefern wir die Grundlage für die Entwicklung vielversprechender biotechnologischer Werkzeuge, mithilfe derer man Pflanzen bereitstellen könnte, die sogar unter den schwierigen Bedingungen der globalen Erwärmung eine umweltverträgliche Resistenz gegen verschiedenste Phytopathogene aufweisen.

Je wärmer, desto weniger Wachstum Steigende Temperaturen bedeuten Stress für Pflanzen. Zum einen steht ihnen weniger Wasser zur Verfügung, zum anderen verändert sich nachweislich die Zusammensetzung, Dichte und Diversität der Mikroben, die sie belagern. Dass Pflanzen nicht so gut wachsen, wenn sie sich gegen Mikroorganismen verteidigen müssen, ist bekannt. Auch Brassinosteroide (BR) werden seit drei Jahrzehnten beforscht. Es sind Pflanzenhormone, die Wachstum befördern, aber auch als Knotenpunkt für weitere Signalwege agieren, die Stressfaktoren und Nährstoffe betreffen. In Kooperation mit der Gruppe um Grégory Vert in Toulouse wurde das aktive Forschungsfeld "Wachsen-oder-Wehren" um die Variable Temperatur erweitert. Als Modellorganismus diente die gut erforschte Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana). Steril gezogene Sämlinge wurden unter kontrollierten Bedingungen unterschiedlichen Situationen und Belastungen ausgesetzt und das Pflanzenmaterial anschließend biochemisch, molekulargenetisch, genomisch und zellbiologisch untersucht: "Brassinosteroide erlauben der Zelle sich zu verlängern. Wenn man BR aufsprüht, wachsen Pflanzen schnell. Uns interessierten weitere molekulare Player, die mitentscheiden, wohin Pflanzen die Energie lenken", erzählt Projektleiter Belkhadir. Dabei fanden die internationalen Forscherteams folgendes heraus: Wenn Sämlinge statt bei 21 Grad bei 24 bis 26 Grad gehalten werden, wächst ihr Wurzelsystem nicht mehr so gut. "Wenn man die Temperatur steigert, wird der BR-Rezeptor abgebaut. Selbst wenn viel Steroid da ist, kann die Pflanze das Wachstumshormon dann quasi nicht mehr sehen", erläutert Belkhadir. Wärme triggert breite Immunantwort Gefunden haben die Forscherinnen und Forscher weitere Rezeptoren, die der Pflanze erlauben, ihr Wachstum einzustellen und im Gegenzug die Abwehr moduliert hochzufahren. Um Mikroorganismen unschädlich zu machen, haben Pflanzen generell zwei Abwehrstrategien. Pathogene an der Zelloberfläche werden entweder mit einer Fülle von Rezeptoren erkannt und eine milde, aber breit gefächerte Immunreaktion losgetreten. Dabei gelangen Abwehrstoffe aus dem Stoffwechsel der Pflanze an die Zelloberfläche und wirken gegen verschiedene Organismen. Oder es wird eine starke Immunantwort ausgelöst, die das betroffene Gewebe absterben lässt. Das ist dann der Fall, wenn Rezeptoren im Inneren der Zelle auf fremdes Material stoßen. Bei höheren Temperaturen konnte das Team eine starke Aktivierung von Genen der ersten Abwehrstrategie nachweisen - selbst wenn die Umgebung nach wie vor steril war. Das ist ein sinnvoller Anpassungsmechanismus der Pflanzen, da außerhalb des Labors mit einem verstärkten Ansturm und einer großen Bandbreite von Pathogenen zu rechnen ist. Auch das gestoppte Wurzelwachstum bei höheren Temperaturen fügt sich in das Bild der hochgefahrenen Abwehr von Pathogenen. Wachstum bedeutet im ersten Schritt dünnere Zellwände. Bis diese wieder versteift werden, sind die Mauern um das Zellinnere leichter zu überwinden. Die Forschungsergebnisse zeigen, wie sich Pflanzen bei hohen Temperaturen zwischen Wachstum und Verteidigung entscheiden und liefern so wichtige Grundlagen fur biotechnologische Werkzeuge zur Entwicklung von Saatgut, das für die globale Erwärmung besser gerüstet ist.