Studie zeigt, wie sich Pflanzen an kalte Umgebungstemperaturen und Frost anpassen

Da es sich bei Pflanzen um sessile Organismen handelt, müssen sie sich zum Überleben äußerst flexibel an verschiedenste Umweltbedingungen anpassen können. Forscher der Abteilung Pflanzenphysiologie der RPTU Kaiserslautern untersuchen pflanzliche Anpassungsmechanismen, insbesondere an abiotische Stressfaktoren wie Lichtintensität oder Temperatur.

Sie haben nun einen neuen Meilenstein erreicht. Ph.D. Die Studentin Annalisa John hat in ihrer Forschungsarbeit anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) entschlüsselt, welche zellulären Mechanismen Pflanzen nutzen, um sich an Kälte und Frost anzupassen. Der Ergebnisse der Studie wurden in veröffentlicht Die Pflanzenzelle.

Generell stellen Pflanzen als typische Reaktion auf einsetzende Kälte ihre Stoffwechselprozesse um. Betroffen sind vor allem die Strukturen von Biomembranen, die Zellen und die darin befindlichen Zellorganellen umschließen und als dünne Grenzschicht fungieren.

„Bei Kälteeinwirkung muss die Zusammensetzung der Lipiddoppelschichten, aus denen die Zellmembranen bestehen, schnell und effizient verändert werden“, erklärt John, die an ihrer Doktorarbeit arbeitet. in Pflanzenphysiologie und ist der Erstautor der Studie. Diese Anpassungen sind notwendig, um Membranen auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen flüssig bzw. beweglich zu halten, was eine wesentliche Voraussetzung für ihre Funktionalität ist.

Um die Zusammensetzung der Zellmembranen anzupassen und umzugestalten, initiieren Pflanzen die Produktion neu gebildeter Lipide. Die Synthese findet in zwei Zellkompartimenten statt, den Chloroplasten und dem endoplasmatischen Retikulum (ER). Dazu müssen zunächst Fettsäuren, die die Grundbausteine ​​der Lipidsynthese darstellen, innerhalb der grünen Chloroplasten synthetisiert werden, damit die Fettsäuren dann über das Transportprotein Fatty Acid Export 1 (FAX1) aus dem Chloroplasten transportiert werden können. um anschließend die Notaufnahme zu betreten.

„Vor diesen Untersuchungen hatte unsere Forschungsgruppe bereits beobachtet, dass neben anderen Proteinen auch die Häufigkeit von FAX1 deutlich abnimmt, wenn Arabidopsis-Pflanzen kalten Temperaturen ausgesetzt werden“, sagt John. „Wir wussten jedoch nicht, ob dieser Rückgang für die Kälte- und Frostadaptation relevant ist und wie der gezielte Rückgang der FAX1-Proteinhäufigkeit gesteuert wird.“

Die Chloroplasten geben die Antwort

John fand heraus, dass Pflanzenmutanten, die das FAX1-Protein kontinuierlich in großen Mengen produzieren (sogenannte FAX1-Überexpressoren) und kalten Temperaturen ausgesetzt sind, folgendes Verhalten zeigten: Sie wuchsen ineffizient und neigten dazu, vorzeitig zu altern, zeigten Defekte in der Photosynthese und produzierten große Mengen davon giftige Substanzen – reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffsuperoxid.

Darüber hinaus wurde die ausgewogene Lipidsynthese in den Chloroplasten und im ER durch den permanenten Fettsäureexport über FAX1 gestört, was sich deutlich von der Situation bei Wildtyp-Pflanzen unterscheidet. Während Wildtypen insbesondere bei Kälte die Lipidsynthese in den Chloroplasten aktivieren, synthetisieren die FAX1-Überexpressoren im ER recht viele Lipide.

„Wir haben auch eine Protease identifiziert, die für den Abbau von FAX1 ausschließlich bei kalten Temperaturen verantwortlich ist, die sogenannte Rhomboid-like Protease 11 (RBL11-Protease)“, erklärt John. „RBL11 befindet sich wie FAX1 in der inneren Hülle der Chloroplasten. Pflanzenmutanten, denen die RBL11-Protease fehlt, zeigten die gleichen Symptome wie die FAX1-Überexpressoren. Wir wissen jetzt, dass der Abbau von FAX1 in der Kälte für die Anpassung an niedrige Umgebungstemperaturen von großer Bedeutung ist.“ und wir wissen auch, wie der Abbau erfolgt.“

„Ziel dieses koordinierten Forschungsprogramms ist es, die vielfältigen Funktionen von Chloroplasten bei der Anpassung von Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen zu verstehen. Die Erkenntnisse aus Frau Johns Doktorarbeit werden einen wichtigen Beitrag zum Forschungsprogramm leisten. Es kann daher sein „Die Kältetoleranz empfindlicher Kulturpflanzen kann gezielt so optimiert werden, dass sie auch spontane Tieftemperaturphasen oder sogar Frost überstehen“, sagt Professor Dr. Ekkehard Neuhaus, der die Abteilung Pflanzenphysiologie leitet.