Reaktion auf Umweltstress Wie Pflanzen mit gutem Gedächtnis und speziellen Hormonen den Klimawandel meistern

Pflanzen haben ein Gedächtnis, das ihnen hilft, sich schnell an die Folgen des Klimawandels anzupassen und ihre Erfahrungen sogar an ihre Nachkommen weiterzugeben. Zudem sorgen Hormone dafür, dass sich Pflanzenwurzeln in ihrer Form ständig an das Wasserangebot anpassen. Das sind die Ergebnisse zweier bemerkenswerter Studien aus Italien und Großbritannien.

Obstbäume in einer Winterlandschaft
Obstbäume in einer Winterlandschaft: Pflanzen passen sich an die kürzeren und wärmeren Winter an, um nicht zu früh in die Blüte zu gehen. Bildrechte: imago images/Shotshop

Hitze, Trockenheit, kürzere Winter: Der Klimawandel bereitet Pflanzen zunehmend mehr Stress. Tiere können sich dank ihrer hohen Beweglichkeit an ungünstigere Umweltbedingungen anpassen. Pflanzen hingegen sind "sessile", sprich festsitzende Organismen. Sie können ihren Aufenthaltsort nicht ändern und sind deshalb den zunehmenden "Umweltstressoren" am intensivsten ausgesetzt.

Gedächtnis auch ohne Nervenzellen

Hinzu kommt, dass Pflanzen keine Nervenzellen (Neuronen) besitzen. Sie verfügen somit auch über keine neuronalen Netzwerke, wie es unser zentrales Nervensystem mit seinem Gehirn als Sitz unseres Gedächtnisses ist. Und trotzdem haben auch Pflanzen ein Gedächtnis, dass ihnen hilft, sich schnell an Umweltveränderungen anzupassen. Ja, sie sind obendrein sogar in der Lage, diese Anpassungen an ihre Nachkommen weiterzugeben, wie Wissenschaftler der Universität Florenz in einer in der Zeitschrift "Trends in Plant Science" veröffentlichen Arbeit beschreiben.

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MDR FERNSEHEN Mo 24.10.2022 08:14Uhr 04:03 min

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Zelluläre, molekulare und biochemische Netzwerke

Wie das Forscherteam um den Pflanzengenetiker Prof. Dr. Federico Martinelli in seiner Studie erklärt, basiert das Gedächtnis der Pflanzen vollständig auf komplexen zellulären, molekularen und biochemischen Netzwerken. Diese Netzwerke bilden das, was die italienischen Forscher als "somatisches Gedächtnis" bezeichnen. "Diese Mechanismen ermöglichen es den Pflanzen, frühere Umweltbedingungen zu erkennen und schneller zu reagieren, wenn dieselben Bedingungen eintreten", sagt Martinelli. Sprich, Pflanzen erinnern sich je nach Stressreiz an vergleichbare frühere Situationen und treffen auf dieser Grundlage Entscheidungen, um ihre Ressourcen zu optimieren und ihre Fitness zu maximieren.

Erfahrungsweitergabe über epigenetische Modifikationen

Doch damit nicht genug. Die Pflanzen geben ihre Erinnerungen bzw. Erfahrungen durch sogenannte epigenetische Modifikationen auch an ihre Nachkommen weiter. Dabei werden zwar nicht die DNA-Sequenzen der Pflanzen-Gene selbst, wohl aber bestimmte DNA-Regionen chemisch verändert, um beispielsweise bestimmte Proteine anzulocken und zu binden. "Wir haben Schlüsselgene, Proteine und kleine Oligonukleotide hervorgehoben, von denen frühere Studien gezeigt haben, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Erinnerung an abiotischen Stress wie Trockenheit, Salzgehalt, Kälte, Hitze, Schwermetalle und Pathogenbefall spielen", erklärt Martinelli.

Mit gut 20 Kilometern Länge ist der Aletsch der größte Gletscher in den Alpen. Wie ein Fluss aus Eis erstreckt er sich durchs Hochgebirge. Noch wirkt er mächtig, doch sein Eisschild schmilzt Jahr für Jahr immer weiter ab. 3 min
Mit gut 20 Kilometern Länge ist der Aletsch der größte Gletscher in den Alpen. Wie ein Fluss aus Eis erstreckt er sich durchs Hochgebirge. Noch wirkt er mächtig, doch sein Eisschild schmilzt Jahr für Jahr immer weiter ab. Bildrechte: SWR/Vidicom/Bardehle
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Anpassung an wärmere Winter

Wie sich Pflanzen mithilfe ihres epigenetischen Gedächtnisses erfolgreich an den Klimawandel anpassen, beschreibt der Florenzer Pflanzengenetiker anhand der mittlerweile vielerorts kürzeren und weniger strengen Winter. "Viele Pflanzen benötigen eine Mindestkälteperiode, um ihre Umweltuhr einzustellen und ihre Blütezeit zu bestimmen", sagt Martinelli. "Da die kalten Jahreszeiten kürzer werden, haben sich die Pflanzen so angepasst, dass sie weniger Kälte benötigen, um die Blüte zu verzögern. Diese Mechanismen ermöglichen es den Pflanzen, die Blüte in Zeiten zu vermeiden, in denen sie weniger Chancen haben, sich fortzupflanzen".

Hormone regeln Wurzelwachstum

Aber nicht nur ihr epigenetisches Gedächtnis kommt den Pflanzen zugute, um besser mit veränderten Umweltbedingungen zurechtzukommen. Durch bestimmte Hormone sind sie auch in der Lage, die Form ihrer Wurzeln für eine bessere Wasseraufnahme zu verändern, wie Forscher der Universität Nottingham herausgefunden haben. Laut einer in der Zeitschrift "Science" veröffentlichten Studie der britischen Pflanzenwissenschaftler, unterbrechen Pflanzenwurzeln ihre Verzweigung, wenn sie den Kontakt mit Wasser verlieren, und nehmen sie erst wieder auf, wenn sie wieder mit Feuchtigkeit in Berührung kommen. Dies ermögliche es den Pflanzen, selbst unter den trockensten Bedingungen zu überleben.

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MDR AKTUELL Do 09.08.2018 15:24Uhr 02:58 min

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"Hydro-Signalling" optimiert Wasseraufnahme

Diesen mithilfe der Röntgen-Mikro-CT-Bildgebung neu entdeckten Mechanismus zur Wassererkennung durch Hormone haben die britischen Wissenschaftler als "Hydro-Signalling" bezeichnet. Dr. Poonam Mehra, eine der Hauptautorinnen der Studie erklärt, was es damit auf sich hat: "Wenn Wurzeln mit Feuchtigkeit in Berührung kommen, bewegt sich ein wichtiges Hormonsignal (Auxin) mit dem Wasser nach innen und löst neue Wurzelverzweigungen aus. Wenn Wurzeln jedoch den Kontakt mit Feuchtigkeit verlieren, sind sie auf interne Wasserquellen angewiesen, die ein anderes Hormonsignal (ABA) nach außen mobilisieren, das die Bewegung des Verzweigungssignals nach innen blockiert. Dieser einfache, aber elegante Mechanismus ermöglicht es den Pflanzenwurzeln, ihre Form auf die lokalen Bedingungen abzustimmen und die Nahrungssuche zu optimieren."

Die britischen Pflanzenforscher hoffen, dass ihre Erkenntnisse mithelfen können, zukunftssichere Nutzpflanzen zu entwickeln, die auch unter heißeren und trockneren Bedingungen in der Lage sind, genügend Wasser zu erschließen.

(dn)