Eismanagement und Gefrierdehydrierung von Pflanzenzellen

Pflanzen im Gegensatz zu anderen Organismen - können nicht davonrennen. Sie sind fest eingewurzelt und müssen daher die einwirkenden Umweltfaktoren in vollem Ausmaß bewältigen können. Dies haben sie auch hervorragend zu meistern gelernt. Dennoch wird die Rekrutierung, das Überleben, die Produktivität und die geographische Verbreitung von Pflanzen empfindlich durch abiotische Stressfaktoren gefiltert. Neben der Wasserverfügbarkeit stellt vor allem das Auftreten von Frostereignisse einen limitierenden Faktor dar. Dennoch gibt es substantielle Lücken in unserem Wissen über Frostschädigung und das Überleben von Gefrierereignissen durch Pflanzen. Ganz besonders über die subzellulären physiologischen Veränderungen, die dabei eine entscheidende Rolle spielen dürften. Eine der auffälligsten Veränderungen beim Gefrieren ist die Umwandlung von flüssigem Wasser zu Eis. Während eisempfindliche Pflanzenzellen unmittelbar bei Eisbildung im Gewebe abgetötet werden, überleben eistolerante Pflanzenzellen extrazelluläre Eisbildung völlig unbeschadet. Extrazelluläres Eis entzieht den Zellen Wasser. Diese Gefrierentwässerung ist temperaturabhängig. Zusätzlich wird die Gefrierentwässerung von der Zellwandfestigkeit beeinflusst, was derzeit aber weniger gut verstanden wird. Bei extrazellulärer Eisbildung tolerieren eistolerante Pflanzenzellen entweder eine Gefrierentwässerung, die sich im extrem bis zu einer nicht letalen Gefrierzytorrhyse (Zellen kollabieren und verlieren reversibel bis zu 80% des Zellwassers) ausdehnen kann, oder überleben tiefunterkühlt (supercooling). In tiefunterkühlenden Zellen verbleibt das Zellwasser in den Zellen in flüssiger Form, aber unterhalb einer bestimmten Gefriertemperatur frieren die Zellen dann spontan intrazellular aus. Intrazelluläres Gefrieren ist immer letal. Die nötigen subzellulären physiologischen Veränderungen, die Gefrierentwässerung bzw. Tiefunterkühlbarkeit zulassen, und besonders die Rolle der Zellwand ist derzeit unbekannt. Durch Einsatz von hochauflösenden zellbiologischen und biophysikalischen Verfahren sollen subzelluläre Veränderungen, die am Ausmaß, der Geschwindigkeit und der Dynamic der Gefrierentwässerung und Tiefunterkühlbarkeit beteiligt sind, sowie Anteil an der Frostschädigung haben, an Hand von 14 Pflanzenarten mit unterschiedlichen Zellwandeigenschaften untersucht werden. Chemische Komponenten und strukturelle Zellwandeigenschaften sollen als Attribute der zusätzlich zu messenden Zellwandelastizität charakterisiert werden und mit dem spezifischen Gefrierverhalten in Beziehung gesetzt werden. In einem ökophysiologischen Blickwinkel soll das Gefrierverhalten mit der spezifischen Gefrierbelastungssituation (Häufigkeit und Intensität) am natürlichen Wuchsort in Beziehung gesetzt werden. Die Ergebnisse lassen Auswirkungen für Anwendungen in Zusammenhang mit Cryo- und Lyo-Techniken erwarten, können aber auch neue Strategien zum Transfer gesteigerter Frosthärte in Agrarpflanzen liefern. Zudem erscheinen die Ergebnisse ganz besonders zeitgemäß, da der prognostizierte Klimawandel Pflanzen vor ganz besondere Herausforderung stellt. Dies mag zwar zunächst paradox erscheinen, aber durch die wärmeren Winter treiben Pflanzen verfrüht aus und werden so unvorbereitet Wetterkapriolen ausgesetzt. Als Vorgeschmack können die verheerenden Spätfrostschäden im Frühjahr 2007 in den USA gelten. Die Ergebnisse zum Gefrierverhalten von Pflanzenzellen werden eine solide Basis für das Verständnis struktureller, zellulärer und physiologischer Mechanismen liefern, die es Pflanzen erlauben einer Frostschädigung zu entkommen und zudem eine sicherere Risikoabschätzung bezüglich Frostschäden in einem sich wandelnden Klima möglich machen.

Im Gegensatz zu vielen anderen Organismen können Pflanzen Eisbildung in ihrem Gewebe überleben. Wie dies möglich ist, ist noch kaum verstanden. Prinzipiell kann nur extrazelluläre Eisbildung überlebt werden, intrazelluläre Eisbildung ist immer letal. Mit der Entwicklung eines neuen Kryomikroskops wurde erstmals die eindeutige Unterscheidung zwischen Eis und flüssigem Wasser in gefrorenen Blättern möglich. Strukturell unterschiedliche, photosynthetisch aktive Zellen, die in Algen bis hin zu Bäumen vorkommen, wurden untersucht. Die Zellwandfestigkeit stellte sich als ein Schlüssel für die Gefrierdehydrierung heraus. In Koniferennadeln erzeugen steife Zellwände eine negative Spannung und verhindern eine Gefrierdehydrierung. Im gefrorenen Zustand bleibt Eis auf den Leitgefäßzylinder beschränkt. Eisfreies Photosynthesegewebe ermöglicht freien Gasaustausch. An der Baumgrenze, wo Frost länger als 6 Monate anhält, scheint dies bedeutsam. In Kartoffelblättern tolerieren Zellen Eis bei moderatem Gefrieren (> -3C) und für eine begrenzte Dauer (10-80 min). Die Zellen bleiben unterkühlt und werden durch intrazelluläre Eisbildung getötet. Für die Kartoffelzüchtung bedeutet dies, dass einzig Frostvermeidungsstrategien zielführend sein können. Während unterkühlende Kartoffelzellen durch intrazelluläre Eisbildung abgetötet werden, konnte dies in Mesophyllzellen von Nadelbäumen nicht beobachtet werden, für die die Frostschädigungsursache ungeklärt bleibt. Im Gegensatz zu unterkühlenden Zellen zeigte die Mehrheit der 14 getesteten Arten Gefrierdehydrierung und Zytorrhyse bei Eisbildung. Neben den Zellwandeigenschaften waren die Zellabmessungen, der relative Flächenanteil der Interzellularzellen und das Verhältnis von Zellwanddicke zu Durchmesser wichtige Faktoren. Die nivale Pflanze Ranunculus glacialis ist ein Beispiel, wo Zellen beim Einfrieren zytorrhysiert werden. Riesige Eismassen bilden sich in den Interzellularräumen ausschließlich im Schwammparenchym. Die Zellwände sind reich an Pektin und Triglyceride akkumulieren vor allem im Schwammparenchym. Deren Rolle für das Wachstum extrazellulärer Eismassen müssen weitere Untersuchungen klären. Außerdem wurde ein völlig neuer technischer Ansatz entwickelt, um gefrorene Blätter für die Elektronenmikroskopie zu fixieren. Diese Entwicklung brachte ungeahnte Einblicke. Auffällige ultrastrukturelle Veränderungen in extrazellulär gefrorenen Zellen reichten von der Aggregation und Verschmelzung von Mitochondrien zu dreidimensionalen Netzwerken bis hin zu Anzeichen von Abbau und dem Auftreten von autophagischen Strukturen. Es wird angenommen, dass diese Veränderungen die Aufrechterhaltung der Atmung während des Einfrierens ermöglichen. Autophagie und degenerative Prozesse können auf ein Recycling von beeinträchtigten zytoplasmatischen Bestandteilen hindeuten, was wichtig erscheint, um den Zellstoffwechsel während des Einfrierens aufrechtzuerhalten. In einem wärmer werdenden Klima ist auch das Überleben von Frost eine Herausforderung für Pflanzen. Das mag auf den ersten Blick kontraintuitiv klingen. Wärmere Winter wirken sich jedoch auf die Pflanzenphänologie aus und setzen sie unvorbereitet unberechenbaren Wetterkapriolen aus. Jüngste und wiederholt auftretende, verheerende Frühjahrsfrostschäden an Kulturpflanzen mögen ein Vorgeschmack sein. Ein verbessertes Wissen über des Kryoverhalten von Pflanzenzellen, wie es hier gewonnen wurde, ist eine Voraussetzung für das Verständnis zytologischer und physiologischer Mechanismen, die ein Überleben von Frostschäden ermöglichen. Die Ergebnisse können wertvolle Hinweise liefern, wie Frosttoleranz bei Nutzpflanzen verbessert werden könnte.