Der Klimawandel bedroht neben vom Menschen verursachten schädlichen Faktoren die landwirtschaftliche Produktion und die Ernährungssicherheit, indem er Stresssituationen für Pflanzen verursacht, wie z. B. erhöhte Temperaturen, extreme Wetterereignisse, Schädlingsbefall, Krankheiten und Umweltverschmutzung.
Aktuelle Forschung befasst sich mit den Reaktionen von Pflanzen auf diese widrigen Bedingungen, um verbesserte landwirtschaftliche Praktiken und Pflanzenzüchtung zu ermöglichen. Bemerkenswert ist, dass Pflanzen oft mehreren Stressfaktoren gleichzeitig ausgesetzt sind, wobei die meisten Kombinationen eine synergistische Wirkung haben und den Stress für die Pflanzen verstärken.
Trotz umfangreicher Studien zu den Auswirkungen von Doppelstress gibt es nur begrenzte Kenntnisse über die Auswirkungen von drei oder mehr gleichzeitigen Stressfaktoren, die das Pflanzenwachstum erheblich behindern können. Daher ist die umfassende Untersuchung multifaktorieller Stresskombinationen von entscheidender Bedeutung für die Optimierung der Pflanzenresistenz und der landwirtschaftlichen Produktion.
Im Mai 2023, Gartenbauforschung veröffentlichte eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Omics-Analysen in Zitrusfrüchten zeigen eine mögliche Rolle von RNA-Translationswegen und Unfolded Protein Response-Regulatoren bei der Toleranz gegenüber kombinierter Dürre, hoher Bestrahlungsstärke und Hitzestress.“
In dieser Studie wurden Blattschäden bei Carrizo- und Cleopatra-Zitruspflanzen unter verschiedenen individuellen und kombinierten abiotischen Stressbedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Hitzestress (H) allein nicht zu nennenswerten Blattschäden führte. Allerdings führten hohe Bestrahlungsstärke (L) und Wasserstress (W) bei beiden Genotypen zu Blattschäden zwischen 23 % und 35 %.
Stresskombinationen, insbesondere L+H und W+L, führten ebenfalls zu erheblichen Schäden, wobei Cleopatra-Pflanzen unter der W+H-Bedingung bis zu 60 % Blattschäden und unter der dreifachen Stresskombination W+L+H 71 % aufwiesen. Carrizo hingegen zeigte konsistente Schadensprozentsätze, die denen von Zwei-Faktor-Stresskombinationen ähnelten. Ein tieferer Einblick in die Reaktionen der Pflanzen erfolgte mithilfe transkriptomischer und proteomischer Analysen.
In Bezug auf differentiell regulierte Transkripte (DRTs) führte die dreifache Stresskombination (W+L+H) für beide Genotypen zur höchsten Anzahl an DRTs. Die Analyse der differentiell akkumulierten Proteine (DAPs) ergab, dass Hitzestress, ob individuell oder kombiniert, bei beiden Zitrusarten signifikante Veränderungen der DAPs verursachte.
Hauptkomponentenanalysen (PCA) zeigten die erheblichen Unterschiede zwischen den Genotypen, und Transkriptionsfaktoren zeigten auch unterschiedliche Expressionsmuster zwischen den beiden Genotypen als Reaktion auf unterschiedliche Stressbedingungen.
Darüber hinaus wurden gemeinsame Reaktionen zwischen Carrizo und Cleopatra unter verschiedenen Belastungen untersucht. Ein wichtiges Ergebnis war die bedeutende Rolle des Signalwegs „Proteinverarbeitung im ER“ bei der Reaktion auf unterschiedliche Stressbedingungen, wobei beide Genotypen eine Hochregulierung der mit diesem Signalweg verbundenen Transkripte zeigten. Ihre Reaktion war jedoch unterschiedlich, wenn sie der kombinierten Belastung von B+L+H ausgesetzt wurde.
Eine Analyse, die sich auf die einzigartigen Reaktionen der Pflanzen auf die dreifache Stresskombination konzentrierte, ergab, dass über 95 % der hochregulierten Transkripte genotypspezifisch waren, was die unterschiedliche Art und Weise hervorhebt, wie Carrizo und Cleopatra auf die gleichen Stressbedingungen reagieren. Darüber hinaus variierte die Regulation des Translationswegs in den Pflanzen je nach Stress und Genotyp, wobei Carrizo unter den meisten Stressbedingungen typischerweise eine höhere Anzahl an DAPs als Cleopatra aufwies.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zitruspflanzen Carrizo und Cleopatra unter verschiedenen Stresskombinationen unterschiedliche Ausmaße an Blattschäden und molekularen Reaktionen zeigten. Die Entdeckung von Schlüsselproteinen und Regulierungsmechanismen kann künftige Strategien zur Verbesserung von Nutzpflanzen leiten und Zitruspflanzen in die Lage versetzen, den Herausforderungen sich ändernder klimatischer Bedingungen besser standzuhalten.
Mehr Informationen:
Damián Balfagón et al., Omics-Analysen in Zitrusfrüchten zeigen eine mögliche Rolle von RNA-Translationswegen und Unfolded Protein Response-Regulatoren bei der Toleranz gegenüber kombinierter Dürre, hoher Bestrahlungsstärke und Hitzestress. Gartenbauforschung (2023). DOI: 10.1093/hr/uhad107