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06/09/2022 12:00

Wie Nutzpflanzen Überschwemmungen besser überstehen

Bastian Strauch Hochschul- und Wissenschaftskommunikation
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

    - Forschende aus Freiburg und Utrecht weisen nach, welche Signalwege Pflanzen widerstandsfähiger bei Überflutungen machen
    - Das Molekül Ethylen ist für Pflanzen ein Warnsignal, dass sie unter Wasser stehen und schaltet die Notversorgung für ein Überleben ohne Sauerstoff ein
    - Als Teil eines Forschungsteams zeigt Jun.-Prof. Dr. Sjon Hartman, dass Pflanzen länger ohne Sauerstoff auskommen, wenn sie mit Ethylen vorbehandelt sind

    Weltweit nehmen extreme Wetterphänomene zu – häufige Dürren, Brände, aber auch Hochwasser sind Folgen des Klimawandels. Für die Landwirtschaft bedeutet ein überschwemmtes Feld große Verluste: Etwa 15 Prozent der globalen Ernteausfälle gehen auf Überschwemmungen zurück. Als Teil eines Teams aus Freiburg, Utrecht/Niederlande und weiteren Instituten fand Juniorprofessor Dr. Sjon Hartman vom Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg nun heraus, dass ein Signalmolekül Pflanzen widerstandsfähiger gegen Überschwemmungen machen kann. Das gasförmige Pflanzenhormon Ethylen bewirkt, dass die Pflanze eine Art molekulares Notstromsystem anschaltet, das ihr hilft, den Sauerstoffmangel bei Überflutung zu überstehen. Das Team hatte zuvor nachgewiesen, dass Ethylen der Pflanze das Signal übermittelt, dass sie unter Wasser steht. Eine Vorbehandlung der Versuchspflanzen mit dem Hormon verbesserte die Überlebenschancen. Die Ergebnisse, die im Fachjournal Plant Physiology erschienen sind, sollen helfen, in der Landwirtschaft gegen Staunässe und Hochwasser vorzugehen und zum Beispiel widerstandsfähige Pflanzensorten zu entwickeln.

    Den Anpassungen an Nässe auf der Spur

    Pflanzenarten unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit, Phasen der Überschwemmung oder Staunässe zu überstehen: „Bei der Kartoffel sterben nach zwei Tagen durch mangelnden Sauerstoff die Wurzeln ab. Reispflanzen sind viel resistenter, sie können ihr ganzes Leben in gefluteten Feldern überleben“, erklärt Hartman. An der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana – einem Modellorganismus der Pflanzenforschung – lassen sich die Gene und Proteine untersuchen, die diese Anpassung ausmachen. „Dass sie von Wasser umgeben sind, merken Pflanzen daran, dass das Gas Ethylen, das alle Pflanzenzellen produzieren, nicht mehr in die Luft entweichen kann“, führt Hartman weiter aus. Das zeigten die Forschenden in vorherigen Studien an der Universität Utrecht. Rezeptoren in der ganzen Pflanze reagieren im Anschluss auf erhöhte Konzentrationen des Hormons.

    Überschwemmung mit Sauerstoffentzug simulieren

    Das Team simulierte die Überschwemmung, indem sie Keimlinge der Ackerschmalwand unter eine Glocke ohne Licht und Sauerstoff legten. Wenn die Keimlinge zuvor dem Gas Ethylen ausgesetzt waren, überlebten die Zellen der Wurzelspitzen länger. Die behandelten Pflanzen stoppten das Wachstum der Wurzeln und stellten die Energiegewinnung in den Zellen auf sauerstofffreie Stoffwechselvorgänge um. Außerdem bewirkte das Ethylen, dass die Zellen besser gegen schädliche Sauerstoffradikale geschützt waren, die sich bei Sauerstoffmangel in Pflanzen ansammeln. Dies ergaben Analysen von Genaktivitäten und der Proteinzusammensetzung der Zellen.

    „Zusammengenommen verbessern diese Umstellungen, die Ethylen auslöst, die Überlebenschancen der Pflanzen während und nach der Überschwemmung“, fasst Hartman zusammen. „Wenn wir diese Signalwege besser verstehen, können wir lernen, Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Hochwasser zu machen, um dem Klimawandel entgegenzutreten.“

    Mehr über die Forschung von Jun.-Prof. Dr. Sjon Hartman bei CIBSS:
    https://www.cibss.uni-freiburg.de/de/news/he-is-getting-to-the-root-of-plant-mem...

    Über den Exzellenzcluster CIBSS
    Der Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis von biologischen Signalvorgängen über Skalen hinweg zu gewinnen – von den Wechselwirkungen einzelner Moleküle und Zellen bis hin zu den Prozessen in Organen und ganzen Organismen. Die Forscherinnen und Forscher setzen das gewonnene Wissen ein, um Strategien zu entwickeln, mit denen sich Signale gezielt kontrollieren lassen. Sie erschließen dank dieser Technologien nicht nur neue Erkenntnisse in der Forschung, sondern ermöglichen auch Innovationen in der Medizin und den Pflanzenwissenschaften.

    Faktenübersicht:
    - Sjon Hartman ist seit 2022 Junior-Professor für „Plant Environmental Signalling and Development“ an der Universität Freiburg und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies.
    - Hartman erforscht, welche biologischen Signalprozesse es Pflanzen ermöglichen, auf ihre Umwelt zu reagieren und sich an veränderte Bedingungen anzupassen. https://www.hartman-plantlab.com


    Contact for scientific information:

    Jun.-Prof. Dr. Sjon Hartman
    Institut für Biologie III, Signalmechanismen in der Pflanzenentwicklung
    CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies
    Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
    Tel.:+49 (0) 761/203- 97654
    E-Mail: johannes.hartman@biologie.uni-freiburg.de


    Original publication:

    Originalpublikation: Liu, Z., Hartman, S., van Veen, H., Zhang, H., Leeggangers, H., Martopawiro, S., Bosman, F., de Deugd, F., Su, P., Hummel, M., Rankenberg, T., Hassall, K., Bailey-Serres, J., Theodoulou, F., Voesenek, L., Sasidharan, R. (2022): Ethylene augments root hypoxia tolerance via growth cessation and reactive oxygen species amelioration, Plant Physiology, 2022, kiac245, https://doi.org/10.1093/plphys/kiac245


    More information:

    https://kommunikation.uni-freiburg.de/pm/2022/wie-nutzpflanzen-ueberschwemmungen...


    Images

    Sjon Hartman und seine Koopertationspartner*innen fanden in der Ackerschmalwand heraus, über welche Signalwege das Hormon Ethylen im Falle einer Überschwemmung in Pflanzen ein molekulares Notfallprogramm einschaltet.
    Sjon Hartman und seine Koopertationspartner*innen fanden in der Ackerschmalwand heraus, über welche ...
    Iris Hartman
    Universität Freiburg


    Criteria of this press release:
    Journalists, Scientists and scholars
    Biology, Zoology / agricultural and forest sciences
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

    Sjon Hartman und seine Koopertationspartner*innen fanden in der Ackerschmalwand heraus, über welche Signalwege das Hormon Ethylen im Falle einer Überschwemmung in Pflanzen ein molekulares Notfallprogramm einschaltet.


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