Thermisches Priming: Strategie zur Steigerung der Hitzetoleranz und des Ertrags bei Tomaten
Wiederkehrende Hitzeperioden stellen eine erhebliche Herausforderung für die landwirtschaftliche Produktivität dar. Eine aktuelle Studie des Leibniz-Instituts für Gartenbauwissenschaften (IGZ), veröffentlicht in „The Plant Journal“, zeigt jedoch, dass Tomaten durch ein gezieltes thermisches „Priming“ resilienter gegenüber nachfolgendem Hitzestress werden können. Dieser Prozess ermöglicht es den Pflanzen, ein molekulares Gedächtnis aufzubauen, das die Reaktion auf extreme Temperaturen verbessert und die Erträge stabilisiert.
Mechanismus des thermischen Gedächtnisses
Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Justyna Olas untersuchte die Sorte „Moneymaker“ und stellte fest, dass eine moderate initiale Hitzebelastung die Pflanzen physiologisch umprogrammiert. Im Gegensatz zur Modellpflanze Arabidopsis thaliana weist die Tomate eine langanhaltende Gedächtnisphase auf:
- Dauer des Schutzeffekts: Ein messbarer Schutz gegen starken Hitzestress war auch nach einer zehntägigen Pause zwischen den Stressereignissen noch vorhanden.
- Abklingrate: Die Schutzwirkung nimmt mit zunehmender Zeit ab und ist nach etwa 20 Tagen nicht mehr nachweisbar.
- Artspezifität: Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Dauer des thermischen Gedächtnisses signifikant von der jeweiligen Pflanzenart abhängt.
Auswirkungen auf Ertrag und Fruchtqualität
Die Anwendung des thermischen Primings führte sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen als auch in Feldversuchen zu deutlichen Ertragssteigerungen:
- Kontrollierte Bedingungen: Pflanzen, die durch moderates Priming vorbereitet wurden, produzierten im Durchschnitt 41 % mehr Früchte als die nicht vorbehandelten Kontrollgruppen. Auch die Gesamtfruchtmasse stieg an.
- Feldversuch (Großbeeren): Unter realen Umweltbedingungen konnte eine Steigerung der Fruchtanzahl um rund 53 % im Vergleich zur Kontrollgruppe beobachtet werden.
- Qualitätssicherung: Analysen der Inhaltsstoffe β-Carotin und Lutein ergaben keine signifikanten Abweichungen, was belegt, dass die Fruchtqualität trotz der Stressbehandlung erhalten bleibt.
Molekulare Grundlagen der Hitzetoleranz
Durch RNA-Sequenzierungen des Sprossapikalmeristems identifizierten die Wissenschaftler 267 Gene, die durch den thermischen Stress besonders stark aktiviert werden. Diese sogenannten Typ-II-Gene sind essenziell für das transkriptionelle thermische Gedächtnis.
Ein zentraler Regulator ist der Transkriptionsfaktor SlHSFA2. Die Untersuchung mittels CRISPR-Technologie zeigte, dass Pflanzen ohne ein funktionelles SlHSFA2-Gen die Fähigkeit zum thermischen Priming weitgehend verlieren und eine beeinträchtigte Erholung nach Hitzeperioden aufweisen. Der molekulare Mechanismus umfasst zudem:
- Die Steuerung des Gens SlBAG6 durch SlHSFA2.
- Die Interaktion von SlHSFA2 mit den ETHYLENE RESPONSE FACTORs (SlERFs), die gemeinsam die Aktivierung von SlBAG6 verstärken.
Diese Entdeckungen liefern wichtige Ansätze für die Züchtung hitzebeständiger Tomatensorten und bieten eine potenzielle Strategie zur Ertragssicherung im Kontext des Klimawandels.