Wie Pflanzen ihr Erbgut vor Hitze schützen
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Steigende Temperaturen und häufigere Hitzewellen bedrohen die Fruchtbarkeit wichtiger Nutzpflanzen. Forschende des Fachbereichs Biologie der Universität Hamburg haben jetzt einen entscheidenden Schutzmechanismus gegen Hitzestress in Pflanzenzellen identifiziert – eine vielversprechende Grundlage für die Züchtung klimaresistenter Sorten. Ihre Studie ist in „Science Advances“ erschienen.
Foto: UHH/Schnittger In Zellen der Acker-Schmalwand entstehen bei Hitze sogenannte Stressgranula, hier als leuchtend grüne Punkte zu sehen. Diese sind bei der Fortpflanzung der Pflanze von entscheidender Wichtigkeit.
Wie bei Tieren und Menschen spielt die sexuelle Fortpflanzung auch bei vielen Pflanzen eine Rolle. Sie bilden ebenfalls Geschlechtszellen, sogenannte Gameten. Blumenpollen beispielsweise enthalten männliche Gameten, die bei der Bestäubung auf weibliche Gameten in den Fruchtknoten treffen. Die Bildung der Gameten ist eine knifflige Angelegenheit, denn die Pflanze muss die Menge des Erbguts reduzieren, das darin enthalten ist: Anders als andere Zellen enthalten Gameten nur einen einfachen statt eines doppelten Chromosomensatzes. Das ist die Voraussetzung dafür, dass sich nach dem Verschmelzen der weiblichen und männlichen Geschlechtszellen neue Zellen mit lediglich zwei Chromosomensätzen bilden – und nicht etwa mit vier.
Ein wichtiger Akteur in diesem Prozess ist das TAM-Protein. „Bei normalen Temperaturen befinden sich diese Eiweißmoleküle verstreut im Zellinnern, doch bei Hitze bilden sie gemeinsam mit anderen Molekülen kleine Gruppen, sogenannte Stressgranula. Diese sollen die Zelle vor Hitze schützen, aber wie das ganz genau funktioniert, ist noch unklar“, erklärt Prof. Dr. Arp Schnittger vom Fachbereich Biologie der Universität Hamburg und Hauptautor der Studie. Sie enstand in Zusammenarbeit mit Partnern aus China und Japan und ist die erste Publikation des Forschungsverbundes BIKON, der durch die Stadt Hamburg gefördert wird.
Um mehr über die Rolle des TAM-Proteins und der Stressgranula herauszufinden, hat Schnittger mit seinem Team Versuche mit einer Modellpflanze gemacht. Die Forschenden haben verschiedene Proteine der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) mit einem fluoreszierenden Protein verbunden, sodass diese leuchtenden Proteine mit speziellen, für die Erforschung von Gewebe geeigneten Mikroskopen beobachtet werden konnten.
In einem zweiten Schritt wurden die TAM-Proteine genetisch verändert. Konnten diese infolgedessen nicht mehr in die Stressgranula gelangen, entstanden bei der Vermehrung fehlerhafte Keimzellen mit einem doppelten Chromosomensatz. „Dieses Ergebnis zeigt, dass der Transport der TAM-Proteine in die Stressgranula entscheidend für die erfolgreiche Fortpflanzung bei Hitzestress ist“, erklärt Prof. Schnittger.
In einer zweiten Versuchsreihe konnten die Forschenden eine spezifische Region des TAM-Proteins identifizieren, welche für die Auffnahme in Stressgranula verantwortlich ist und bei anderen Proteinen fehlt. „Somit haben wir einen völlig neuen, bisher unbekannten Regulationsmechanismus entdeckt, der die genetisch stabile Fortpflanzung von Pflanzen bei Hitze sichert“, betont Prof. Schnittger. Saatguthersteller können diese Entdeckung zukünftig nutzen, um Pflanzen zu züchten, bei denen dieser Regulationsmechanismus besonders stark ausgeprägt ist.
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