Zufallsentdeckung: Wie ein Hauch einer ungewöhnlichen Chemikalie Keimlinge in Superpflanzen verwandelt

Das "Primen" von Pflanzen, indem sie chemischen Substanzen ausgesetzt werden, während sie noch Samen sind, kann ihr späteres Wachstum beeinflussen.

Forscher haben herausgefunden, dass die Behandlung von Samen mit Ethylen-Gas sowohl ihr Wachstum als auch ihre Stress-Toleranz erhöht. Diese Entdeckung, die eine verbesserte Photosynthese und Kohlenhydratproduktion bei Pflanzen umfasst, bietet einen potenziellen Durchbruch bei der Verbesserung des Ernteertrags und der Widerstandsfähigkeit gegen Umweltstress.

Wie jede andere Organismus können auch Pflanzen gestresst werden. Normalerweise sind es Bedingungen wie Hitze und Dürre, die zu diesem Stress führen, und wenn sie gestresst sind, wachsen Pflanzen möglicherweise nicht so groß oder produzieren nicht so viel. Dies kann ein Problem für Landwirte darstellen, daher haben viele Wissenschaftler versucht, Pflanzen genetisch zu verändern, um widerstandsfähiger zu sein.

Jedoch haben Pflanzen, die für höhere Ernteerträge modifiziert wurden, tendenziell eine geringere Stress-Toleranz, da sie mehr Energie in das Wachstum als in den Schutz vor Stress investieren. Ebenso führt die Verbesserung der Fähigkeit von Pflanzen, Stress zu überleben, oft zu einer geringeren Produktion, da sie mehr Energie in den Schutz als in das Wachstum investieren. Dieses Dilemma macht es schwierig, die Ernte zu verbessern.

Ich habe untersucht, wie das Pflanzenhormon Ethylen das Wachstum und die Stressreaktionen von Pflanzen reguliert. In einer im Juli 2023 veröffentlichten Studie hat mein Labor eine unerwartete und spannende Beobachtung gemacht. Wir fanden heraus, dass die Zugabe von Ethylen während der Keimung von Samen im Dunkeln, wie es normalerweise unter der Erde geschieht, sowohl ihr Wachstum als auch ihre Stress-Toleranz erhöhen kann.

Pflanzen können sich nicht bewegen, daher können sie belastenden Umweltbedingungen wie Hitze und Dürre nicht ausweichen. Sie nehmen verschiedene Signale aus ihrer Umgebung wie Licht und Temperatur auf, die ihr Wachstum, ihre Entwicklung und den Umgang mit Stressbedingungen beeinflussen. Im Rahmen dieser Regulation produzieren Pflanzen verschiedene Hormone, die Teil eines regulatorischen Netzwerks sind, das es ihnen ermöglicht, sich an Umweltbedingungen anzupassen.

Ethylen wurde vor über 100 Jahren erstmals als gasförmiges Pflanzenhormon entdeckt. Seitdem hat die Forschung gezeigt, dass alle untersuchten Landpflanzen Ethylen produzieren. Neben der Kontrolle des Wachstums und der Reaktion auf Stress ist es auch an anderen Prozessen beteiligt, wie beispielsweise der Verursachung von Blattverfärbungen im Herbst und der Stimulierung der Fruchtreifung.

Mein Labor konzentriert sich darauf, wie Pflanzen und Bakterien Ethylen wahrnehmen und wie es mit anderen Hormonwegen interagiert, um die Pflanzenentwicklung zu regulieren. Bei dieser Forschung machte meine Gruppe eine zufällige Entdeckung.

Wir führten ein Experiment durch, bei dem wir Samen in einem dunklen Raum keimen ließen. Die Keimung von Samen ist eine kritische Phase im Leben einer Pflanze, in der sich der Samen unter günstigen Bedingungen vom Ruhezustand zum Sämling entwickelt.

Für dieses Experiment haben wir die Samen mehrere Tage lang Ethylen-Gas ausgesetzt, um zu sehen, welche Auswirkungen dies haben könnte. Dann haben wir das Ethylen entfernt. Normalerweise wäre das Experiment an dieser Stelle beendet gewesen. Nachdem wir jedoch Daten über diese Sämlinge gesammelt hatten, haben wir sie auf einen Lichtwagen übertragen. Dies ist etwas, was wir normalerweise nicht tun, aber wir wollten die Pflanzen bis zum Erwachsenenalter wachsen lassen, um Samen für zukünftige Experimente zu erhalten.

Mehrere Tage nachdem die Sämlinge dem Licht ausgesetzt wurden, machten einige Labormitglieder die unerwartete und überraschende Beobachtung, dass die kurzzeitig mit Ethylen behandelten Pflanzen viel größer waren. Sie hatten größere Blätter und längere sowie komplexere Wurzelsysteme als Pflanzen, die nicht mit Ethylen in Berührung gekommen waren. Diese Pflanzen wuchsen ihr ganzes Leben lang mit einer schnelleren Rate.

Die Pflanze links wurde nicht mit Ethylen behandelt, während die Pflanze rechts dies wurde. Beide Pflanzen sind im gleichen Alter. Bildnachweis: Binder-Labor, University of Tennessee, Knoxville

Meine Kollegen und ich wollten wissen, ob verschiedene Pflanzenarten ein Wachstumsstimulans zeigten, wenn sie während der Keimung mit Ethylen in Kontakt kamen. Wir fanden heraus, dass die Antwort ja ist. Wir haben die Auswirkungen einer kurzzeitigen Ethylenbehandlung auf keimende Tomaten-, Gurken-, Weizen- und Rucola-Samen getestet - alle sind größer gewachsen.

Was diese Beobachtung ungewöhnlich und aufregend macht, ist jedoch, dass die kurzzeitige Ethylenbehandlung auch die Toleranz gegenüber verschiedenen Stressbedingungen wie Salzbelastung, hoher Temperatur und Sauerstoffmangel erhöhte.

Langzeiteffekte auf Wachstum und Stress-Toleranz durch kurzzeitige Exposition gegenüber einem Stimulus werden oft als "Priming-Effekte" bezeichnet. Man kann sich das ähnlich wie das Vorbereiten einer Pumpe vorstellen, bei dem das Anlegen eines Drucks hilft, die Pumpe einfacher und schneller zu starten. Untersuchungen haben sich damit beschäftigt, wie Pflanzen nach dem Priming in verschiedenen Lebensphasen und Entwicklungsstadien wachsen. Das Priming von Samen mit verschiedenen chemischen Substanzen und Belastungen wurde jedoch wahrscheinlich am meisten untersucht, da es einfach durchzuführen ist und bei Erfolg von Landwirten verwendet werden kann.

Seit diesem ersten Experiment hat meine Laborgruppe versucht herauszufinden, welche Mechanismen es ermöglichen, dass diese mit Ethylen behandelten Pflanzen größer werden und mehr Stress tolerieren können. Wir haben ein paar potenzielle Erklärungen gefunden.

One is that ethylene priming increases photosynthesis, the process plants use to make sugars from light. Part of photosynthesis includes what is called carbon fixation, where plants take CO₂ from the atmosphere and use the CO₂ molecules as the building blocks to make the sugars.

During photosynthesis and carbon fixation, plants take in sunlight and convert it into the sugars that they use to grow.

My lab group showed that there is a large increase in carbon fixation – which means the plants are taking in much more CO₂ from the atmosphere.

Correlating with the increase in photosynthesis is a large increase in carbohydrate levels throughout the plant. This includes large increases in starch, which is the energy storage molecule in plants, and two sugars, sucrose and glucose, that provide quick energy for the plants.

More of these molecules in the plant has been linked to both increased growth and a better ability for plants to withstand stressful conditions.

Our study shows that environmental conditions during germination can have profound and long-lasting effects on plants that could increase both their size and their stress tolerance at the same time. Understanding the mechanisms for this is more important than ever and could help improve crop production to feed the world’s population.

Written by Brad Binder, Professor of Biochemistry & Cellular and Molecular Biology, University of Tennessee.

Adapted from an article originally published in The Conversation.