Heißes Wetter schwächt das Immunsystem von Pflanzen, Studienergebnisse

Unter Wissenschaftlern weltweit besteht Unklarheit darüber, warum die Abwehrkräfte von Pflanzen gegen Krankheitserreger bei steigenden Temperaturen schwinden. Die Heilung kann jedoch in der Genetik liegen.

Von Costas Vasilopoulos
12. Oktober 2022, 12:46 UTC
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Wissenschaftler versuchen seit langem zu verstehen, warum Pflanzen bei steigenden Temperaturen anfälliger für Krankheiten werden.

Während einschlägige Forschungen im Gange sind, suchte eine Gruppe von Forschern von Universitäten auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten, die Fähigkeit der Pflanzen wiederherzustellen, sich bei heißem Wetter gegen Krankheitserreger zu verteidigen.

Da sich der Klimawandel beschleunigt, werden wir unter dem Druck stehen, Dinge im Labor zu lernen und sie schneller in die Praxis umzusetzen. Ich kann mir nicht vorstellen, wie wir das ohne mehr Akzeptanz von gentechnisch veränderten Pflanzen machen sollen.- Marc Nishimura, Pflanzenimmunitätsforscher, Colorado State University

"Pflanzen bekommen bei warmen Temperaturen viel mehr Infektionen, weil ihre basale Immunität nachlässt“, sagte Sheng-Yang He, Pflanzenbiologe an der Duke University, der das Forschungsteam leitete. "Also wollten wir wissen, wie Pflanzen die Hitze empfinden? Und können wir es tatsächlich reparieren, um Pflanzen hitzebeständig zu machen?“

Das Studie, veröffentlicht in Nature, konzentrierte sich auf Arabidopsis thaliana, ein bescheidenes Unkraut, das weithin als Ackerschmalwand bekannt ist, betrachtete die 'Laborratte der Pflanzen“ von Pflanzenbiologen. Arabidopsis thaliana gedeiht an Straßenrändern, offenen Wegen und Brachflächen und wird aufgrund seines kurzen Lebenszyklus und seines kurzen und leicht zu verändernden Genoms weltweit in Experimenten eingesetzt.

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Die Wissenschaftler sagten, dass das wichtigste Abwehrhormon von Arabidopsis thaliana Salicylsäure ist, die von vielen Pflanzen, einschließlich wichtiger Nutzpflanzen, verwendet wird, um Krankheiten zu widerstehen. Allerdings kann die Produktion von Salicylsäure bei einigen Grad Temperaturanstieg gestört werden.

"Extreme Wetterbedingungen verknüpft mit Klimawandel beeinflussen viele Aspekte des Pflanzen- und Tierlebens, einschließlich der Reaktion auf Infektionskrankheiten“, schrieben die Forscher. "Die Produktion von Salicylsäure, einem zentralen pflanzlichen Abwehrhormon, ist besonders anfällig für eine Unterdrückung durch kurze Hitzeperioden über dem normalen Temperaturbereich des Pflanzenwachstums durch einen unbekannten Mechanismus.“

Nach jahrelanger Laborarbeit isolierten die Forscher das CBP60g-Gen, das bei steigenden Temperaturen die Produktion des Hormons Salicylsäure in Pflanzen unterdrücken und so deren Abwehrmechanismus neutralisieren kann. Die Lösung umging das Gen genetisch, um die Abwehr der Pflanze bei höheren Temperaturen wiederherzustellen.

"Dies war eine mehrjährige und institutionenübergreifende Anstrengung“, sagte Christian Danve Castroverde, Biologe an der Wilfrid Laurier University in Kanada und Mitautor der Studie Olive Oil Times.

"Im Jahr 2013 entdeckten [wir], dass kurze Hochtemperaturperioden die Hormonabwehr von Arabidopsis-Pflanzen gegen Infektionen durch ein Bakterium namens Pseudomonas syringae dramatisch beeinflussen“, fügte er hinzu. "Nach einigen weiteren Jahren gelang es uns schließlich, die molekulare Grundlage dafür zu identifizieren, wie die Arabidopsis-Immunität durch warme Temperaturbedingungen unterdrückt wird.“

Die Forscher umgingen das Gen im Labor, indem sie a hinzufügten 'Promoter.' Die kurze DNA-Sequenz zwingt das Gen zur Transkription (Kopieren der DNA-Sequenz in ein RNA-Molekül), wodurch die Fähigkeit von Arabidopsis thaliana, das Hormon Salicylsäure zu produzieren, wiederhergestellt wird.

"Einschließlich des Salicylsäurerezeptors und der biosynthetischen Gene war die optimierte CBP60g-Expression ausreichend, um die Salicylsäureproduktion, die basale Immunität und die durch Effektoren ausgelöste Immunität bei der erhöhten Wachstumstemperatur ohne signifikante Wachstumskompromisse weitgehend wiederherzustellen“, schrieben die Forscher.

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Das Team hat damit begonnen, Genmodifikationen an Nahrungspflanzen wie Raps zu testen. Sie planen auch, mit mehr Feldfrüchten zu experimentieren, darunter Weizen und Kartoffeln. Castroverde sagte jedoch, dass eine erhebliche Menge an Feldforschung erforderlich ist, bevor die Lösung in großem Umfang angewendet werden kann.

"Viele Pflanzen haben CBP60g-ähnliche Gene und viele von ihnen haben die Fähigkeit, Salicylsäure herzustellen“, sagte er. "Es sieht so aus, als hätten Pflanzen bereits eine Waffe in ihrem Arsenal. Unsere Herausforderung besteht jetzt darin, diese Kraft zu nutzen. In Bezug auf landwirtschaftliche Anwendungen müssen wir meiner Meinung nach warten, bis wir erfolgreiche Ergebnisse in Feldversuchen haben.“

Dennoch setzt die vom Forscherteam vorgeschlagene konkrete Lösung zur Wiederherstellung des pflanzlichen Immunsystems voraus, dass die Verbraucher bereit sind, mehr genetische Manipulationen ihrer Lebensmittel zu akzeptieren.

"As Klimawandel beschleunigt sich, werden wir unter dem Druck stehen, Dinge im Labor zu lernen und sie schneller in die Praxis umzusetzen“, sagte Marc Nishimura, Experte für Pflanzenimmunität an der Colorado State University, der nicht an der Forschung beteiligt war. "Ich kann mir nicht vorstellen, wie wir das ohne mehr Akzeptanz von gentechnisch veränderten Pflanzen machen sollen.“

Ein anderer Studie Die im Juni von Forschern der Chinese University of Hong Kong veröffentlichte Studie warnte davor, dass die Ernteerträge aufgrund der Ozonbelastung und der Auswirkungen des Klimawandels bis 20 weltweit um 2050 Prozent zurückgehen könnten

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Trotz ihres Erfolgs bei der Wiederherstellung der Hitzeabwehr von Arabidopsis thaliana betonten die Forscher die Tatsache, dass das Verständnis darüber, wie ein sich erwärmendes Klima die Wirksamkeit des pflanzlichen Immunsystems beeinflusst, lückenhaft ist "ein zentrales Anliegen für die zukünftige landwirtschaftliche Produktivität, die Erhaltung des Ökosystems und das Auftreten neuer Pandemien von Pflanzenkrankheiten.“

Sie fügten jedoch hinzu, dass ihre Ergebnisse darauf hindeuten, dass Nutzpflanzen in Zukunft resistenter werden.

"Wir konnten das gesamte pflanzliche Immunsystem bei warmen Temperaturen robuster machen“, sagt He, der Pflanzenbiologe von Duke. "Wenn das auch für Nutzpflanzen gilt, ist das eine ganz große Sache, denn dann haben wir eine sehr starke Waffe.“



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