Kälteempfindlichkeit stellt für bestimmte lebenswichtige Nutzpflanzen eine große Herausforderung dar. Zwar gibt es Hinweise darauf, dass diese Pflanzen über die Fähigkeit zur Kälteakklimatisierung verfügen könnten, die molekulare Dynamik, insbesondere im Zusammenhang mit der Familie der CRT-Bindungsfaktoren (CBF), ist jedoch noch nicht vollständig erforscht.
Ein Hauptanliegen war die unterschiedliche Kältetoleranz zwischen Pflanzen aus gemäßigten Klimazonen und tropischen Arten wie der Tomate. Darüber hinaus spielt die Anreicherung kleiner Metaboliten, sogenannte Kryoschutzmittel, eine entscheidende Rolle dabei, dass Pflanzen Schäden durch niedrige Temperaturen widerstehen können.
Zur Komplexität kommt noch die zirkadiane Uhr der Pflanze hinzu, die möglicherweise mit dem Kältereaktionsmechanismus verflochten ist. Da die Welt aufgrund des Klimawandels mit unvorhersehbaren Wetterverhältnissen konfrontiert ist, ist das Verständnis dieser komplizierten Prozesse für den Schutz der Pflanzengesundheit von entscheidender Bedeutung.
Im Juli 2023, Gartenbauforschung veröffentlichte eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Kältestress treibt organspezifische Transkriptionskaskaden an und dämpft die Tagesschwankungen bei Tomaten.“
Zunächst setzten die Forscher 18 Tage alte Tomatensämlinge einem Kältestress von 4 °C bei ZT2,5 (ZT = Time of Onset of Light) aus und führten eine Phänotypanalyse nach 30 Minuten, 90 Minuten und drei Stunden durch. Die Proben des Stammtranskriptoms wurden 30 Minuten und drei Stunden nach der Behandlung entnommen, während die Proben der Wurzel erst nach drei Stunden entnommen wurden.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es zu einer umfassenden Umprogrammierung der Transkription sowohl in den Knospen als auch in den Wurzeln kommt, wenn Tomatensämlinge niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Expression des CCA1-Gens stärker von der Temperatur als vom Lichteinfall beeinflusst wurde. Die mRNA-Spiegel von Genen, die die Biosynthese von Trehalose, Raffinose und Polyaminen in kältebehandelten Pflanzen katalysieren, stiegen im Durchschnitt um das Zehnfache, was auf eine erhöhte Akkumulation dieser Kryoschutzmittel als Reaktion auf Kältestress hinweist.
Um die funktionelle Anreicherung unter den auf Kälte reagierenden differentiell exprimierten Genen (DEGs) zu identifizieren, wurde eine Signalweganreicherungsanalyse der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) durchgeführt.
Die Analyse ergab, dass viele Gene, die an der Photosynthese, der Hormonsignalisierung usw. beteiligt sind, durch Kältestress induziert werden. Unter Kältestress ist der Photosyntheseweg der am stärksten betroffene Prozess/Weg in den Zweigen der Tomatenpflanze. In den kältebehandelten Proben begann sich die betriebliche Effizienz der Photosynthese (PSII) zu erhöhen, aber als die Kältebehandlung andauerte, nahm die PSII trotz der kontinuierlichen Hochregulierung photosynthetischer Gene immer noch ab.
Die signifikante Hochregulierung der meisten Photosystem-Gene konnte den durch Kältestress verursachten Nettoverlust der Photosyntheseeffizienz nicht ausgleichen. Der beobachtete Amplitudenverlust der Kernuhrgene während Kältestress stört wahrscheinlich deren rhythmische Regulierung. Darüber hinaus ergab die Studie unter Verwendung einer CBF3-Knockout-Mutante, dass CBF3 für die Induktion bestimmter Kryoprotektivum-Biosynthesegene unter Kältestress in Tomaten nicht essentiell ist.
Zusammenfassend bietet diese Studie einen umfassenden Überblick über die komplexe Transkriptionslandschaft von Tomatensämlingen unter Kältestress und hebt sowohl einzigartige Eigenschaften von Tomaten als auch gemeinsame Mechanismen aller Pflanzenarten hervor. Die Verflechtung von Kältereaktion und zirkadianer Regulierung unterstreicht die Vielschichtigkeit pflanzlicher Reaktionen auf Umweltstressoren.
Mehr Informationen:
Tina Agarwal et al., Kühlstress treibt organspezifische Transkriptionskaskaden an und dämpft die Tagesschwingung bei Tomaten. Gartenbauforschung (2023). DOI: 10.1093/hr/uhad137