Viele Pflanzen sind in der Lage, ihre Frosttoleranz zu erh�hen, wenn sie l�ngere Zeit k�hleren Temperaturen ausgesetzt sind. Bisherige Untersuchungen hatten gezeigt, dass diese Akklimatisierung von komplexen Ver�nderungen in der Expression von Genen und Gengruppen begleitet ist. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f�r molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam haben jetzt erstmals die Aktivit�t aller Gene einer Pflanze, der Ackerschmalwand, vor und nach einer solchen K�lteanpassung miteinander verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass sich dabei die Expression bei �ber 2.000 Genen signifikant ver�ndert. Dieser Vergleich legt erstmals offen, welche Prozesse in Pflanzen bei der Vorbereitung auf die �berwinterung dominieren.

Abb 1.: Eingefrorene Arabidopsis-Pflanze. Diese Pflanze wurde unter speziellen Laborbedingungen eingefroren. Arabidopsis ist aber auch in der Lage, unter nat�rlichen Bedingungen im Freiland zu �berwintern. Bild: Max-Planck-Institut f�r molekulare Pflanzenphysiologie

Frosttoleranz ist f�r Pflanzen in gem��igten und kalten Klimazonen ein wichtiger Faktor, der die geographische Verbreitung einer Art entscheidend mitbestimmt. In der Landwirtschaft f�hren Frosteinbr�che dar�ber hinaus immer wieder zu katastrophalen Ernteverlusten. Doch der klassischen Pflanzenz�chtung ist es bisher nicht gelungen, die Frosttoleranz wichtiger Kulturpflanzen entscheidend zu verbessern. Dies liegt vor allem daran, dass die Frosttoleranz ein komplexes, quantitatives Merkmal von Pflanzen ist, das keinem einfachen Mendelschen Vererbungsschema folgt.

Zudem sind viele Pflanzen der gem��igten Breiten in der Lage, w�hrend einer Akklimatisierungsphase von mehreren Tagen bis Wochen bei Temperaturen knapp �ber dem Gefrierpunkt ihre Frosttoleranz deutlich zu erh�hen. In der Natur findet dieser Prozess im Herbst statt und bereitet die Pflanzen auf des �berleben im Winter vor.

Diese Akklimatisierungsf�higkeit ist seit langem bekannt und die ihnen zugrunde liegenden physiologischen und genetischen Mechanismen wurden vielfach untersucht.

Abb 2.: Analyse der �nderungen der Genexpression in Arabidopsis thaliana w�hrend der K�lteakklimatisierung. Die Gene sind graphisch einzelnen Stoffwechselwegen zugeordnet. Dies geschieht automatisch mit der am Max-Planck-Institut f�r molekulare Pflanzenphysiologie entwickelten Software MAPMAN. Blau markierte Gene wurden nach der Akklimatisierung verst�rkt, rot markierte Gene hingegen weniger stark exprimiert. Bild: Max-Planck-Institut f�r molekulare Pflanzenphysiologie

Dennoch war bisher unbekannt, wie viele und welche Gene an der Akklimatisierung einer Pflanze an niedrige Temperaturen beteiligt sind. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f�r molekulare Pflanzenphysiologie haben deshalb die Expression aller Gene von Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, mit Hilfe spezieller "Microarray"-Techniken untersucht. Diese erlauben es inzwischen, die Aktivit�t aller Gene eines Organismus in einer einzigen Messung zu bestimmen.

Arabidopsis ist einer der wichtigsten pflanzlichen Modellorganismen und zeigt eine gute K�lteakklimatisierung. Da das Genom dieser Pflanze vollst�ndig sequenziert ist, eignet sie sich besonders gut f�r Experimente, bei denen die globale Regulation der Genexpression untersucht wird.

Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass nach einer Akklimatisierung von 14 Tagen bei 4 Grad Celsius sich die Expression bei mehr als 2.000 Genen signifikant ver�nderte (s. Abb. 2). Das sind fast zehn Prozent aller untersuchten Gene. Die Zuordnung der identifizierten Gene zu funktionellen Gruppen erlaubt nun R�ckschl�sse auf wichtige, bisher nicht identifizierte physiologische Anpassungsmechanismen.

Diese Informationen sind nicht nur wichtig, um die Anpassung von Pflanzen an nat�rliche Winterbedingungen besser zu verstehen, sondern auch, um die Frosttoleranz von Nutzpflanzen z�chterisch gezielt verbessern zu k�nnen.

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Gesellschaft

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