Pflanzen können wie jeder andere Organismus gestresst sein. Normalerweise sind es Bedingungen wie Hitze und Trockenheit, die zu diesem Stress führen, und wenn sie gestresst sind, wachsen die Pflanzen möglicherweise nicht so groß oder produzieren nicht so viel. Dies kann für Landwirte ein Problem darstellen, weshalb viele Wissenschaftler versucht haben, Pflanzen gentechnisch zu verändern, um sie widerstandsfähiger zu machen.
Bei Pflanzen, die für höhere Ernteerträge modifiziert wurden, ist dies jedoch in der Regel der Fall eine geringere Stresstoleranz denn sie stecken mehr Energie in das Wachstum als in den Schutz vor Stress. Ebenso führt die Verbesserung der Fähigkeit von Pflanzen, Stress zu überstehen, oft dazu, dass Pflanzen weniger produzieren, weil sie mehr Energie in den Schutz als in das Wachstum stecken. Dieses Rätsel macht es schwierig, die Pflanzenproduktion zu verbessern.
ich habe studiert wie das Pflanzenhormon Ethylen das Wachstum und die Stressreaktionen von Pflanzen reguliert. In einem Studie veröffentlicht im Juli 2023, machte mein Labor eine unerwartete und aufregende Beobachtung. Wir haben herausgefunden, dass die Zugabe von Ethylen sowohl ihr Wachstum als auch ihre Stresstoleranz erhöhen kann, wenn Samen im Dunkeln keimen, da sie sich normalerweise unter der Erde befinden.
Ethylen ist ein Pflanzenhormon
Pflanzen können sich nicht bewegen und können daher stressigen Umwelteinflüssen wie Hitze und Trockenheit nicht ausweichen. Sie nehmen eine Vielzahl von Signalen aus ihrer Umgebung auf, etwa Licht und Temperatur, die ihr Wachstum, ihre Entwicklung und den Umgang mit Stress beeinflussen. Im Rahmen dieser Verordnung sind Pflanzen produzieren verschiedene Hormone die Teil eines Regulierungsnetzwerks sind, das es ihnen ermöglicht, sich an Umweltbedingungen anzupassen.
Ethylen wurde erstmals als gasförmiges Pflanzenhormon entdeckt vor über 100 Jahren. Seitdem hat die Forschung gezeigt, dass alle untersuchten Landpflanzen Ethylen produzieren. Neben der Steuerung des Wachstums und der Reaktion auf Stress ist es auch an anderen Prozessen beteiligt, beispielsweise an der Verfärbung der Blätter im Herbst und der Stimulierung der Fruchtreife.
Ethylen als Mittel zur „Grundierung“ von Pflanzen
Mein Labor konzentriert sich darauf, wie Pflanzen und Bakterien Ethylen wahrnehmen und wie es mit anderen Hormonwegen interagiert, um die Pflanzenentwicklung zu regulieren. Während dieser Forschung hat meine Gruppe folgendes gemacht: eine zufällige Entdeckung.
Wir hatten ein Experiment durchgeführt, bei dem wir Samen in einem dunklen Raum keimen ließen. Die Samenkeimung ist eine kritische Phase im Leben einer Pflanze, in der der Samen unter günstigen Bedingungen von der Ruhephase in einen Sämling übergeht.
Für dieses Experiment würden wir setzten die Samen Ethylengas aus mehrere Tage lang, um zu sehen, welche Auswirkungen dies haben könnte. Anschließend haben wir das Ethylen entfernt. Normalerweise hätte das Experiment hier geendet. Aber nachdem wir Daten zu diesen Sämlingen gesammelt hatten, transportierten wir sie auf einen leichten Wagen. Normalerweise tun wir das nicht, aber wir wollten die Pflanzen bis zum Erwachsenenalter wachsen lassen, um Samen für zukünftige Experimente zu erhalten.
Während der Photosynthese und Kohlenstofffixierung nehmen Pflanzen Sonnenlicht auf und wandeln es in Zucker um, den sie für ihr Wachstum verwenden.
Einige Tage, nachdem sie die Sämlinge dem Licht ausgesetzt hatten, machten einige Labormitarbeiter die unerwartete und verblüffende Beobachtung, dass die Pflanzen kurzzeitig mit Ethylen vergast wurden waren viel größer. Sie hatten größere Blätter sowie längere und komplexere Wurzelsysteme als Pflanzen, die keinem Ethylen ausgesetzt waren. Diese Pflanzen wuchsen ihr ganzes Leben lang schneller.
Meine Kollegen und ich wollten wissen, ob verschiedene Pflanzenarten eine Wachstumsstimulation zeigen, wenn sie während der Samenkeimung Ethylen ausgesetzt werden. Wir haben das gefunden Die Antwort ist ja. Wir haben die Auswirkungen einer kurzfristigen Ethylenbehandlung auf keimende Tomaten-, Gurken-, Weizen- und Rucolasamen getestet – alle wurden größer.
Was diese Beobachtung jedoch ungewöhnlich und aufregend machte, war die kurze Ethylenbehandlung erhöhte Toleranz gegenüber verschiedenen Belastungen wie Salzstress, hohe Temperaturen und niedrige Sauerstoffbedingungen.
Langfristige Auswirkungen auf Wachstum und Stresstoleranz durch kurze Einwirkung eines Reizes werden oft als Priming-Effekte bezeichnet. Sie können sich das ähnlich vorstellen Vorbereiten einer Pumpewobei das Ansaugen dazu beiträgt, dass die Pumpe einfacher und früher startet. In Studien wurde untersucht, wie Pflanzen nach der Grundierung wachsen in verschiedenen Altersstufen und Entwicklungsstadien. Aber Samenvorbereitung mit verschiedenen Chemikalien und Belastungen wurde wahrscheinlich am besten untersucht, da es einfach durchzuführen ist und im Erfolgsfall von Landwirten eingesetzt werden kann.
Wie funktioniert es?
Seit das erste Experiment, hat meine Laborgruppe versucht herauszufinden, welche Mechanismen es diesen Ethylen-exponierten Pflanzen ermöglichen, größer zu werden und mehr Stress zu tolerieren. Wir haben einige mögliche Erklärungen gefunden.
Einer davon ist, dass Ethylen-Priming die Photosynthese steigert, den Prozess, den Pflanzen nutzen, um aus Licht Zucker herzustellen. Ein Teil der Photosynthese umfasst das sogenannte Kohlenstoff-FixierungDabei nehmen Pflanzen CO2 aus der Atmosphäre auf und verwenden die CO2-Moleküle als Bausteine für die Herstellung von Zucker.
Meine Laborgruppe zeigte, dass die Kohlenstoffbindung stark zunimmt – was bedeutet, dass die Pflanzen viel mehr CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen.
Mit der Steigerung der Photosynthese korreliert ein starker Anstieg des Kohlenhydratgehalts in der gesamten Pflanze. Dazu gehören große Zuwächse in Stärkedas Energiespeichermolekül in Pflanzen, und zwei Zucker, Saccharose Und Glucosedie den Pflanzen schnell Energie liefern.
Weitere dieser Moleküle in der Pflanze wurden mit beiden in Verbindung gebracht erhöhtes Wachstum und eine bessere Fähigkeit der Pflanzen stressigen Bedingungen standhalten.
Unsere Studie zeigt, dass Umweltbedingungen während der Keimung tiefgreifende und langanhaltende Auswirkungen auf Pflanzen haben können, die sowohl ihre Größe als auch ihre Stresstoleranz erhöhen können. Das Verständnis der Mechanismen dafür ist wichtiger denn je und könnte dazu beitragen, die Pflanzenproduktion zu verbessern, um die Weltbevölkerung zu ernähren.
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