Wachstum und Wehrhaftigkeit in Balance
Alle 300.000 Pflanzenarten unseres Planeten sind in einem Dilemma verwurzelt: Lieber wachsen oder sich besser wehren? Um zu ĂŒberleben, mĂŒssen festsitzende Organismen angesichts beschrĂ€nkter Ressourcen die beiden Strategien gut aufeinander abstimmen. Sowohl Wachstum als auch die Abwehr von Krankheitserregern kosten viel Energie und sind daher nur im Abtausch zu stemmen. Zudem steigt mit dem Klimawandel bis zum Jahr 2100 die globale durchschnittliche Temperatur um bis zu vier Grad. Im Umkehrschluss wird daraus ein Ressourcenthema fĂŒr die hungrige Menschheit in einer heiĂer werdenden Umwelt: von geeignetem Saatgut bis zu sinkenden ErtrĂ€gen.
Wie höhere Temperaturen die FĂ€higkeiten von Pflanzen, zu wachsen und sich zu verteidigen, beeinflussen, hat Youssef Belkhadir mit seiner Gruppe am Gregor-Mendel-Institut fĂŒr Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der Ăsterreichischen Akademie der Wissenschaften in Kooperation mit GrĂ©gory Vert vom Plant Science Research Laboratory an der UniversitĂ€t Toulouse (LRSV) herausgefunden, unterstĂŒtzt vom Wissenschaftsfonds FWF und der französischen Förderorganisation ANR.
Je wÀrmer, desto weniger Wachstum
Steigende Temperaturen bedeuten Stress fĂŒr Pflanzen. Zum einen steht ihnen weniger Wasser zur VerfĂŒgung, zum anderen verĂ€ndert sich nachweislich die Zusammensetzung, Dichte und DiversitĂ€t der Mikroben, die sie belagern. Dass Pflanzen nicht so gut wachsen, wenn sie sich gegen Mikroorganismen verteidigen mĂŒssen, ist bekannt. Auch Brassinosteroide (BR) werden seit drei Jahrzehnten beforscht. Es sind Pflanzenhormone, die Wachstum befördern, aber auch als Knotenpunkt fĂŒr weitere Signalwege agieren, die Stressfaktoren und NĂ€hrstoffe betreffen. In Kooperation mit der Gruppe um GrĂ©gory Vert in Toulouse haben die Forscherinnen und Forscher in Wien das aktive Forschungsfeld âWachsen oder Wehrenâ um die Variable Temperatur erweitert. Als Modellorganismus diente die gut erforschte Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana).
Die Forschungsgruppen haben steril gezogene SĂ€mlinge unter kontrollierten Bedingungen unterschiedlichen Situationen und Belastungen ausgesetzt und das Pflanzenmaterial anschlieĂend biochemisch, molekulargenetisch, genomisch und zellbiologisch untersucht: âBrassinosteroide erlauben der Zelle, sich zu verlĂ€ngern. Wenn man BR aufsprĂŒht, wachsen Pflanzen schnell. Uns interessierten weitere molekulare Player, die mitentscheiden, wohin Pflanzen die Energie lenkenâ, erzĂ€hlt Projektleiter Belkhadir. Dabei fanden die internationalen Forscherteams Folgendes heraus: Wenn SĂ€mlinge statt bei 21 Grad bei 24 bis 26 Grad gehalten werden, wĂ€chst ihr Wurzelsystem nicht mehr so gut. âWenn man die Temperatur steigert, wird der BR-Rezeptor abgebaut. Selbst wenn viel Steroid da ist, kann die Pflanze das Wachstumshormon dann quasi nicht mehr sehenâ, erlĂ€utert Belkhadir.
WĂ€rme triggert breite Immunantwort
Gefunden haben die Forscherinnen und Forscher weitere Rezeptoren, die der Pflanze erlauben, ihr Wachstum einzustellen und im Gegenzug die Abwehr moduliert hochzufahren. Um Mikroorganismen unschĂ€dlich zu machen, haben Pflanzen generell zwei Abwehrstrategien. Pathogene an der ZelloberflĂ€che werden entweder mit einer FĂŒlle von Rezeptoren erkannt und es wird eine milde, aber breit gefĂ€cherte Immunreaktion losgetreten. Dabei gelangen Abwehrstoffe aus dem Stoffwechsel der Pflanze an die ZelloberflĂ€che und wirken gegen verschiedene Organismen. Oder es wird eine starke Immunantwort ausgelöst, die das betroffene Gewebe absterben lĂ€sst. Das ist dann der Fall, wenn Rezeptoren im Inneren der Zelle auf fremdes Material stoĂen.
Bei höheren Temperaturen konnte das Team eine starke Aktivierung von Genen der ersten Abwehrstrategie nachweisen â selbst wenn die Umgebung nach wie vor steril war. Das ist ein sinnvoller Anpassungsmechanismus der Pflanzen, da auĂerhalb des Labors mit einem verstĂ€rkten Ansturm und einer groĂen Bandbreite von Pathogenen zu rechnen ist. Auch das gestoppte Wurzelwachstum bei höheren Temperaturen fĂŒgt sich in das Bild der hochgefahrenen Abwehr von Pathogenen. Wachstum bedeutet im ersten Schritt dĂŒnnere ZellwĂ€nde. Bis diese wieder versteift werden, sind die Mauern um das Zellinnere leichter zu ĂŒberwinden. Die Forschungsergebnisse zeigen, wie sich Pflanzen bei hohen Temperaturen zwischen Wachstum und Verteidigung entscheiden, und liefern so wichtige Grundlagen fĂŒr biotechnologische Werkzeuge zur Entwicklung von Saatgut, das fĂŒr die globale ErwĂ€rmung besser gerĂŒstet ist.
Zur Person
Youssef Belkhadir studierte Biochemie und Genomik in Paris und absolvierte sein Doktorat in Molekularer Genetik an den UniversitĂ€ten Paris-Sud (Orsay, Frankreich) und North Carolina (Chapel Hill, USA). 2006 bis 2010 forschte er am SALK Institute for Biological Studies in La Jolla (USA). Seit 2014 ist er Gruppenleiter am Gregor-Mendel-Institut fĂŒr Molekulare Pflanzenbiologie der Ăsterreichischen Akademie der Wissenschaften. Davor war er Direktor am Department fĂŒr Pflanzen-Biotechnologie der Moroccan Foundation for Advanced Science und MitgrĂŒnder des Labors Atlas Genomics in Casablanca. Das internationale Forschungsprojekt âTemperaturabhĂ€ngige Wachstums- und Verteidigungsregulierungâ (2018â2022) wird vom Wissenschaftsfonds FWF mit 300.000 Euro gefördert.
Publikationen
Smakowska E., Kong J., Busch W., Belkhadir Y.: Organ-specific regulation of growth-defense tradeoffs by plants, in: Current Opinion in Plant Biology 2016
Belkhadir Y., Jaillais Y.: The molecular circuitry of brassinosteroid signaling, in: The New Phytologist 2015
Belkhadir Y., Jaillais Y., Epple P., BalsemĂŁo-Pires E., Dangl J. and Chory J.: Brassinosteroid modulate the efficiency of the plant immune system, in: PNAS 2012
