Hitze macht Pflanzen anfälliger

Unter Hitzewellen leidet nicht nur der Mensch. Sie fordern auch von Pflanzen, auf die wir als Nahrung angewiesen sind, ihren Tribut. Denn steigen die Temperaturen, werden Pflanzen anfälliger für Angriffe von Krankheitserregern und Schädlingen. Forscher um den Biologen Sheng-Yang He von der Duke University in North Carolina haben nun, wie sie in "Nature" berichten, einen Weg gefunden, ihre Abwehrkräfte zu stärken.

Das Team hat in Pflanzenzellen der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) - sie kommt in der Biologie als Modellorganismus zum Einsatz - ein bestimmtes Protein identifiziert, das die Immunität bei steigenden Temperaturen einschränkt.

Abwehrhormon Salicylsäure

Schon seit Jahrzehnten wissen Forschende, dass überdurchschnittlich hohe Temperaturen die Fähigkeit einer Pflanze unterdrücken, ein Abwehrhormon namens Salicylsäure zu bilden, das das Immunsystem der Pflanze anregt und Eindringlinge stoppt, bevor sie zu viel Schaden anrichten. Aber die molekulare Basis war nicht gut verstanden.

Mitte der 2010er Jahre fand Sheng-Yang He heraus, dass selbst kurze Hitzewellen eine dramatische Auswirkung auf die Hormonabwehr in der Acker-Schmalwand haben können, die sie anfälliger für Infektionen durch ein Bakterium namens Pseudomonas syringae werden lässt. Dieses verursacht verschiedene Pflanzenkrankheiten. Unterschiedliche Stämme des Bakteriums befallen unterschiedliche Pflanzenarten, darunter auch wichtige Nutzpflanzen.

Für gewöhnlich steigt bei einem Befall mit diesem Erreger der Salicylsäuregehalt in den Blättern um das Siebenfache, um die Bakterien an der Ausbreitung zu hindern. Steigen die Temperaturen, können die Pflanzen nicht mehr genügend Abwehrhormone bilden. Ungefähr zur gleichen Zeit hatte ein anderes Forscherteam herausgefunden, dass Moleküle in Pflanzenzellen, sogenannte Phytochrome, als interne Thermometer fungieren, die den Pflanzen helfen, wärmere Temperaturen im Frühjahr zu spüren und Wachstum und Blüte zu aktivieren.

Protein CBP60g als Schlüssel

Die Forscher fragten sich nun einerseits, ob es möglich wäre, Pflanzen hitzeresistent zu machen, und andererseits, ob diese wärmeempfindlichen Moleküle auch der Schlüssel sein könnten, das Immunsystem zu aktivieren.

Um das herauszufinden, nahmen die Forscher normale und mutierte Pflanzen, deren Phytochrome unabhängig von der Temperatur immer aktiv waren, infizierten sie mit den Bakterien und züchteten sie bei 22 und 27 Grad Celsius. Beiden Gruppen war es nicht möglich, genügend Salicylsäure herzustellen, um Infektionen abzuwehren.

Andere, auch an der Studie beteiligte Forscher, führten längere Zeit ähnliche Experimente mit anderen verdächtigen Genen durch, und auch diese mutierten Pflanzen wurden während Wärmeperioden krank.

Mittels Next-Generation-Sequencing schauten sie sich die Gene noch genauer an. Dabei fanden sie heraus, dass viele, die bei erhöhten Temperaturen unterdrückt wurden, von einem Protein namens CBP60g reguliert wurden. CBP60g wirkt wie ein Hauptschalter, der andere Gene so herunterreguliert oder ausschaltet, dass die Pflanzenzelle nicht mehr die nötige Salicylsäure produziert.

Das Forscherteam konnte zeigen, dass Acker-Schmalwand-Pflanzen, bei denen das CBP60g-Gen ständig eingeschaltet war, in der Lage waren, ihren Spiegel an Abwehrhormonen aufrechtzuerhalten und Bakterien selbst bei Hitzestress ich Schach zu halten, schreiben die Autoren.

Des Weiteren fanden die Wissenschafter einen Weg, hitzeresistente Pflanzen zu entwickeln, die den CBP60g-Hauptschalter nur dann einschalten, wenn sie angegriffen werden, ohne dass ihr Wachstum beeinträchtigt wird. Die Studienergebnisse könnten eine gute Nachricht für die durch den Klimawandel gefährdete Lebensmittelversorgung sein, betonen die Forscher.

Denn die globale Erwärmung führt zu mehr Hitzewellen und schwächt damit die natürlichen Abwehrkräfte der Pflanzen. Schon jetzt gehen jährlich weltweit bis zu 40 Prozent der Nahrungsmittelpflanzen durch Schädlinge und Krankheiten verloren.

Eine mächtige Waffe

Geht es um die künftige Ernährungssicherheit, wird sich zeigen, ob die Strategie zum Schutz der Immunität von der Acker-Schmalwand auch bei Nutzpflanzen funktioniert. Denn das Team fand heraus, dass erhöhte Temperaturen nicht nur die Salicylsäureabwehr in der Versuchspflanze, sondern auch bei Tomaten, Raps oder Reis beeinträchtigen.

In der Acker-Schmalwand wurden durch das Ausschalten von CBP60g nicht nur Gene wiederhergestellt, die an der Herstellung von Salicylsäure beteiligt sind, sondern auch andere abwehrrelevante Gene, die vor Hitze schützen. "Wenn das auch für Nutzpflanzen gilt, ist das eine wirklich große Sache, denn dann haben wir eine sehr mächtige Waffe", so die Forscher.