Munich, Germany
September 26, 2016
Pictured are frozen flowers of an apple tree in South Tyrol, Italy that have been protected from damage by late frost with frost-protection sprinkling. Eremina et al show that in the freezing tolerance of plants steroid hormones take part, and elucidate molecular pathways, which contribute to this activity. (Photo: courtesy of D. Mitterer-Zublasing)
Plants cannot simply relocate to better surroundings when their environmental conditions are no longer suitable. Instead, they have developed sophisticated molecular adaptation mechanisms. Scientists at the Technical University Munich (TUM) in cooperation with the Helmholtz Center Munich and the University of Nottingham have been able to demonstrate that brassinosteroids, which until now have mainly been regarded as growth hormones, increase the resistance of plants against frost.
"Stress caused by cold is an environmental influence which has a direct effect on the growth and yield of plants", says plant molecular biologist Professor Brigitte Poppenberger. With her research group at the Biotechnology of Horticultural Crops institute at the TUM, she investigates the mechanisms used by plants to adapt to external influences. Her research activities have centered on brassinosteroids for quite some time.
In earlier work, her group already used common thale cress (Arabidopsis thaliana) as a model plant to demonstrate exactly how this plant hormone, which was identified for the first time in rapeseed in 1979, promotes plant growth. In fact, it had been known for a long time that this hormone plays a role in plant development. However, the exact mechanism of action was unknown. It was the work of the biotechnology experts at the TUM School for Life Sciences in Weihenstephan that first made it possible to gain a precise understanding of this phenomenon.
It's no coincidence that Brigitte Poppenbergers team once again picked Arabidopsis for the current study. Due to its relatively undemanding nature, simple structure, and its compact size, it isn't simply a favorite among geneticists in general—the tiny herb also provides optimal conditions under which to search for cold protection mechanisms in plants, as it's able to survive low temperatures and increase its tolerance to frost by adapting to the cold. In the current issue of the specialist journal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS), the scientists describe the hitherto unknown side of brassinosteroids, which up until now have been known as growth hormones.
In order to gain a detailed understanding of their mechanisms, the researchers carried out experiments in which they exposed Arabidopsis plants to slowly decreasing temperatures. Experiments with wild-type varieties in the laboratory showed that as the temperature decreases, the plant reacts by beginning to modify the expression of genes for which DNA is transcribed to RNA within its cells. "This reduces its growth, which increases its chances of survival", Poppenberger explains, describing the natural protective mechanism of the normal plants.
A molecular path to 'winter fat'
The researchers obtained a different result with their experiments involving genetically modified model plants, which are no longer able to synthesize brassinosteroids themselves or recognize them as a signal. While wild-type varieties often still managed to survive temperatures of six degrees below zero, most of the mutants already displayed clear signs of damage at this point, which demonstrates the essential role steroid hormones play in this process. By analyzing the process, the researchers found that brassinosteroids increase frost resistance by regulating a protein called CESTA. This protein uses a signal cascade to control gene expression. In this manner, it in turn influences the protein composition of the cells, which among other things appears to lead to a change in the fatty acid composition. This ensures that the plant stocks up on a type of 'winter fat' on a molecular level, thereby protecting it from potential cold damage.
Spray-on steroids for plants
These exact findings regarding the order and type of chemical processes for the effects of steroid hormones in plants are not only an important step forward for basic research into the adaptation strategies of plants. More importantly, according to the researchers, they may also provide solutions to problems, which have occurred in agriculture as a result of climate change. Although people generally only associate global warming with an increased occurrence of hot periods, it also causes an increase in the number of frost events, such as early and late frosts, which can lead to devastating harvest shortfalls. "The conventional method of breeding more resistant plants has not been very successful so far, as resistance to cold and reduced growth are difficult to separate", says Brigitte Poppenberger. But she's convinced that "our discovery that brassinosteroids boost both growth and cold resistance will open up new possibilities for bringing out both characteristics in plants." She asserts that it's also possible to spray crop plants with brassinosteroids to achieve both effects. "That may be a viable method—at least, that's what the findings suggest."
Publication:
Marina Eremina , Simon J. Unterholzner, Ajith I. Rathnayake , Marcos Castellanos , Sean T. May, Klaus F. X. Mayer, Wilfried Rozhon and Brigitte Poppenberger: Brassinosteroids participate in the control of basal and acquired freezing tolerance of plants, PNAS 2016. doi: 10.1073/pnas.1611477113
Neue Mechanismen der Frosttoleranz von Pflanzen aufgedeckt - Mit Hormonen Frost und Kälte trotzen
Pflanzen können sich nicht einfach ein geeigneteres Umfeld suchen, wenn ihnen die Standortbedingungen nicht mehr passen. Stattdessen haben sie ausgeklügelte molekulare Anpassungsmechanismen entwickelt. Wie Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz Zentrum München und der University of Nottingham jetzt zeigen konnten, erhöhen die bislang vor allem als Wachstumshormone bekannten Brassinosteroide die Resistenz von Pflanzen gegenüber Frost.
"Kältestress gehört zu den Umwelteinflüssen, die direkte Auswirkungen auf das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen zeigen", sagt die Pflanzenmolekularbiologin Professorin Brigitte Poppenberger. Mit ihrer Arbeitsgruppe im TUM-Fachbereich für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen untersucht sie die Mechanismen, mit denen sich Pflanzen äußeren Einflüssen anpassen.
Im Mittelpunkt ihrer Forschungen stehen schon seit längerem die Brassinosteroide. So konnte sie bereits in früheren Forschungsarbeiten anhand der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellpflanze aufzeigen, wie genau diese 1979 erstmals beim Raps identifizierten Pflanzenhormone das Wachstum von Pflanzen fördern. Tatsächlich war schon lange bekannt, dass sie bei der Entwicklung der Pflanzen eine Rolle spielen. Der genaue Wirkmechanismus jedoch blieb im Dunkeln. Erst durch die Arbeit der Biotechnologen am TUM-Standort in Weihenstephan konnte dieser genau verstanden werden.
Nicht zufällig entschied sich Brigitte Poppenberger für ihre aktuelle Studie erneut für die Ackerschmalwand. Wegen ihrer Anspruchslosigkeit, einfachen Struktur und ihrem kleinem Wuchs gilt sie nicht nur als Lieblingspflanze der Genetiker im Allgemeinen. Auch für die Suche nach den Kälteschutzmechanismen von Pflanzen bietet das kleine Kraut optimale Voraussetzungen, denn es überlebt bei niedrigen Temperaturen und kann seine Frosttoleranz durch Kälteanpassung erhöhen. In der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) beschreibt Poppenberger nun die bis dato unbekannte Seite der bislang als Wachstumshormone bekannten Brassinosteroide.
Um die Mechanismen aufzuklären führten die Forscher Experimente durch, in denen sie Arabidopsis-Pflanzen langsam sinkenden Temperaturen aussetzten. Bei Versuchen mit Wildformen im Labor zeigte sich, dass die Pflanze bei zunehmender Kälte damit beginnt, in ihren Zellen sämtliche von der DNA in RNA umgeschriebene Gene zu verändern. "Dadurch verringert sich ihr Wachstum, wodurch sich ihre Überlebenschancen erhöhen", erklärt sie den natürlichen Schutzmechanismus der normalen Pflanzen.
Molekularer Weg zum Winterspeck
Ein anderes Ergebnis erhielten die Forscher bei ihren Versuchen mit genetisch veränderten Modellpflanzen, die Brassinosteroide nicht mehr selbst herstellen oder als Signal erkennen konnten. Während Wildtypformen Temperaturen von Minus sechs Grad noch oft überdauerten, zeigte der Großteil der Mutanten bereits deutliche Schäden, was die essentielle Funktion der Steroidhormone in diesem Prozess beweist.
Wie die Forscher bei der Analyse des Vorgangs herausfanden, erhöhen Brassinosteroide die Frostresistenz, indem sie ein Protein namens CESTA regulieren. Dieses steuert in einer Signalkaskade die Expression von Genen, bei der DNA in RNA umgeschrieben wird. Auf diese Weise beeinflusst es in weiterer Folge die Proteinzusammensetzung der Zellen, was unter anderem zu einer veränderten Fettsäurekomposition führt. Dadurch wird auf molekularer Ebene dafür gesorgt, dass sich die Pflanze quasi einen Winterspeck zulegt, der sie vor Kälteschäden schützt.
Hormonelles Pflanzendoping aus der Düse
Diese genauen Kenntnisse der Reihenfolge und Art der chemischen Prozesse bei der pflanzlichen Steroidhormonwirkung stellen nicht nur wichtige Fortschritte für die grundlegende Erforschung der Anpassungsstrategien bei Pflanzen dar. Vielmehr bieten sie aus Sicht der Forscher darüber hinaus Lösungen für Probleme, die im Zuge des Klimawandels in der Landwirtschaft aufgetreten sind. Auch wenn die meisten bei globaler Erwärmung nur an das vermehrte Auftreten von Hitzeperioden denken, ist auch verstärkt mit Frostvorkommnissen wie Früh- und Spätfrost zu rechnen, welche verheerende Ernteausfälle zur Folge haben können.
"Der konventionelle Weg resistentere Pflanzen zu züchten, ist bislang wenig erfolgreich gewesen, da Kälteresistenz und vermindertes Wachstum schwer zu trennen sind", sagt Brigitte Poppenberger. "Doch durch unsere Entdeckung, dass Brassinosteroide Wachstum und Kälteresistenz gleichermaßen fördern, bieten sich neue Möglichkeiten, beide Merkmale bei Pflanzen hervorzubringen", ist sie überzeugt. Auch sei es möglich Nutzpflanzen mit Brassionosteroiden zu besprühen, um beide Wirkungen zu erzielen. "Das könnte ein gangbarer Weg sein – jedenfalls legen die Ergebnisse das nahe."
Publikation:
Marina Eremina , Simon J. Unterholzner, Ajith I. Rathnayake , Marcos Castellanos , Sean T. May, Klaus F. X. Mayer, Wilfried Rozhon and Brigitte Poppenberger: Brassinosteroids participate in the control of basal and acquired freezing tolerance of plants, PNAS 2016. doi: 10.1073/pnas.1611477113
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