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Er ist dem Gedächtnis der Pflanzen auf der Spur

Pflanzenforscher Sjon Hartman ist neues Mitglied von CIBSS und Juniorprofessor für „Plant Environmental Signalling and Development“ an der Universität Freiburg

Weltweit nehmen extreme Wetterphänomene zu – häufige Dürren, Brände und Flut sind Folgen des Klimawandels. Für die Landwirtschaft bedeutet ein überschwemmtes Feld große Verluste: 15 % der globalen Ernteausfälle gehen auf Überschwemmungen zurück. Der Pflanzenforscher Sjon Hartman will Pflanzen besser gegen solche Wetterphänomene wappnen. Er übernimmt am CIBSS nun eine Juniorprofessur für „Plant Environmental Signalling and Development”. In einem Interview mit Mathilde Bessert-Nettelbeck beschreibt er seine Faszination für das Gedächtnis der Pflanzen.

 

Wie genau reagieren Pflanzen auf Überschwemmung?

Sjon Hartman: Pflanzenarten sind mehr oder weniger gut an Überschwemmungen angepasst. Davon möchte ich lernen. Es gibt zwei Strategien, mit denen Pflanzen reagieren: Entweder damit, Energie zu sparen, nicht mehr zu wachsen und zu warten, dass die Flut vorbeigeht. Diese Art der Ruhephase nennt man Quieszenz. Oder aber sie reagieren mit Anpassungen im Wachstum an wechselnde Wasserstände. Zum Beispiel können Reispflanzen sehr hoch wachsen, bis zu fünf Meter, um dem Wasser zu entkommen. Solche Schnorchelblätter – man nennt sie wirklich so, weil nur die Spitze über Wasser sein muss – helfen den Pflanzen aber nur daran, die Flut zu überleben, wenn das Wasser langsam steigt.

Was ist Ihr Ziel? Welche Idee bringt Ihre Forschung voran?

Ich möchte verstehen, wie Pflanzen ihre Umgebung wahrnehmen und verstehen. Das passt hervorragend zur Forschung am CIBSS. Es geht bei meiner Arbeit darum, wie Signale wahrgenommen und integriert werden, und wie Pflanzen physiologisch auf Veränderungen reagieren. Am Beispiel von Überschwemmungen untersuche ich, wie bestimmte Signalmoleküle Wachstum oder Stoffwechsel der Pflanze beeinflussen.

Außerdem möchte ich wissen, ob die Reaktion auf den steigenden Wasserpegel der Pflanze hilft, in der Umgebung zu überleben – ob die Pflanze lernt, sozusagen. Wenn man das versteht, könnte man in Zukunft landwirtschaftlich genutzte Pflanzen toleranter für Überwässerung machen, und Ernteausfälle verhindern.

Hartman forscht hauptsächlich an der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana. Picture: Iris Hartman

Warum interessieren Sie sich für Pflanzen und Überschwemmungen? Ist Wassermangel nicht ein größeres Problem?

Was ist bei Ihnen Zuhause das größere Problem? Zu wenig oder zu viel Wasser? Die Wurzeln von Pflanzen ersticken oft, wenn sie zu lange zu viel Wasser ausgesetzt werden. Pflanzen brauchen Sauerstoff, genau wie wir. In den Blättern können Sie durch Photosynthese selbst Sauerstoff aus Kohlendioxid herstellen, in den Wurzeln aber nicht. Von zu wenig Wasser können sich Pflanzen erholen; von zu viel nur selten. Wenn sich das Erdreich mit Wasser füllt, kann nicht mehr genug Sauerstoff in die Wurzeln diffundieren. Die Wurzeln ersticken und sterben ab, sobald die Reserven aufgebraucht sind.

Sie erforschen, wie sich Pflanzen an Überschwemmungen erinnern. Aber was bedeutet Erinnerung bei Pflanzen?  

Sinnbildlich erlaubt es den „Augen“ der Pflanzen – in diesem Fall meine ich molekulare Signalwege – geöffnet oder geschlossen zu bleiben, je nachdem wie bedrohlich bestimmte Stressoren wie Fressfeinde oder Dürre sind. Von anderen Stressoren wie Schatten oder Raupen weiß man schon, dass Pflanzen davon lernen, auf molekularer Ebene. Das wollen wir nun im Falle der Überschwemmungen nachweisen. Die Epigenetik spielt hier eine große Rolle: Umweltveränderungen können sich durch epigenetische Prozesse auf die Genexpression sogar über Generationen hinweg auswirken. Wir konnten schon zeigen, dass leichter Sauerstoffmangel junge Pflanzen abhärtet – sie überleben länger, wenn man sie zu einem späteren Zeitpunkt Dunkelheit und Sauerstoffmangel aussetzt. Die Pflanzen sind toleranter.

 



Von anderen Stressoren wie Schatten oder Raupen weiß man schon, dass Pflanzen davon lernen, auf molekularer Ebene. Das wollen wir nun Im Falle der Überschwemmungen nachweisen.

Welche Signalwege erforschen Sie genau?

Ich konnte schon in meiner Doktorarbeit nachweisen, dass Pflanzen, die vor einer Überschwemmung dem Molekül Ethylen ausgesetzt werden, toleranter für Sauerstoffarmut sind. Das haben wir an der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana erforscht. Ethylen ist ein Hormon, das der Pflanze Erstickungsgefahr signalisiert. Im Normalfall produzieren zwar alle Pflanzenzellen Ethylen, es reichert sich aber nur in den Zellen an, wenn die Pflanze unter Wasser steht. Sonst entweicht es als Gas. Bekannt ist Ethylen auch, weil es zum Beispiel Früchte reifen lässt: Es löst einen Signalweg aus, der die Genexpression und sogar epigenetische Mechanismen beeinflusst! Für die Erinnerungsvorgänge, die durch Ethylen ausgelöst werden, ist ein Protein zuständig, das die Struktur der DNA in der Zelle , das Chromatin, kontrolliert und organisiert. Wir denken, dass wir damit ein Erinnerungsprotein gefunden haben: Schalten wir das Protein aus, vergisst die Pflanze ihre Erfahrung wieder.

Lässt sich das auch kontrollieren?

Ja, daran forschen wir auch – lässt sich dieses Wissen nun umsetzen auf andere Gene, andere physiologische Reaktionen? Und können wir Pflanzen schneller reagieren lassen? Wir wollen von den Meistern unter den Pflanzen lernen, daher schauen wir uns verschiedene Arten an, um zu messen, wie sie auf Überflutungen reagieren. Die Unterscheide sind ja sehr groß – eine Kartoffel ist sehr empfindlich und stirbt sofort bei zu viel Wasser. Aber vielleicht können wir ihr die Resilienz einer Reispflanze beibringen, bei der Überflutung Teil des Lebenszyklus ist. So ein molekulares Training wäre sicherlich hilfreich für die Landwirtschaft. Besonders in einer Umwelt, die sich verändert und in der Anpassungen notwendig werden.

Welche Chancen bieten CIBSS und die Universität Freiburg für Ihre Forschung?

In CIBSS habe ich wunderbare Kolleg*innen in der Pflanzenforschung, mit denen ich eng zusammenarbeite. Außerdem bin ich sehr an Kooperationen in der Epigenetik interessiert, die hier auch am Max-Planck-Institut und der Universität erforscht wird. In diesem Bereich freue ich mich auf den Austausch mir weiteren Kolleg*innen!