Gestresste Pflanzen können „Erinnerungen“ an widerstandsfähigere Nachkommen weitergeben

Die Penn State Forscherin Sally Mackenzie hat sich nicht wirklich zum Ziel gesetzt, Sojabohnen Angst einzujagen. Aber genau das tat sie, als sie das MSH1-Gen der Pflanzen zum Schweigen brachte. Obwohl die Pflanzen unter perfekten Bedingungen wuchsen, spürten sie plötzlich, dass sie gleichzeitig einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt waren – Dürre, extreme Kälte und Hitze, hohe Lichtverhältnisse und mehr. Pflanzen reagierten, indem sie Genantworten amplifizierten, um mit den Belastungen fertig zu werden. Als Mackenzie diese Pflanzen dann mit dem ursprünglichen Bestand kreuzte, „erinnerte“ sich die Nachkommenschaft an den Stress der Elternpflanzen und wuchs kräftiger, widerstandsfähiger und produktiver auf. Die Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf die Zucht von Pflanzen, die auf Klimaextreme vorbereitet sind.

Ein Jahrzehnt in der Entstehung

Es dauerte, bis Mackenzie vor etwa einem Jahrzehnt das MSH1-Gen entdeckte. Es ist etwas, das alle Pflanzen haben, aber damals war ihr nicht bewusst, wie wichtig es ist.

„Vor kurzem haben wir durch Zufall entdeckt, dass die Pflanze, nachdem wir das MSH1-Gen ersetzt haben, ein ‚Gedächtnis‘ an diesen Stress hat – und mit Gedächtnis meine ich, dass sich ihre Wachstumsmerkmale sehr von der Pflanze unterscheiden, mit der wir begonnen haben“, sagte sie. „Und es wird sich Generation für Generation für Generation an den Stress erinnern, solange wir keine Kreuze machen und es in der gleichen Linie halten.“

Pflanzen, die Stress „erkennen“, nachdem das MSH1-Gen ausgeschaltet wurde, können ihr Wachstum anpassen und die Wurzelkonfiguration ändern, die oberirdische Biomasse begrenzen, die Blütezeit verzögern und ihre Reaktion auf Umweltreize verändern. Diese Reaktionen werden „erinnert“, berichten Forscher, und werden in selektiver Züchtung über viele Generationen hinweg weitergegeben.

Als Teil ihrer jüngsten Forschung wurden Pflanzen, die aus Kreuzungen mit „Gedächtnis“-Sojabohnenpflanzen gewonnen wurden, in großem Maßstab unter vier verschiedenen Feldbedingungen an vier weit voneinander entfernten Standorten in Nebraska angebaut. Sie waren kräftiger, ertragreicher und besser an ihre Umgebung angepasst als typische Sojapflanzen.

„Was es bedeutet“, sagt Mackenzie, „ist, dass wir unsere allerbesten Pflanzensorten nehmen und möglicherweise mehr aus ihnen herausholen und sie mit einer ziemlich einfachen Manipulation widerstandsfähiger machen können“, sagte sie. „Wir haben eine deutliche Steigerung des Ertrags und der Wachstumsleistung festgestellt, was unerwartet ist, da wir keine neuen Gene eingeführt haben. Wir haben nur die Art und Weise geändert, wie sie ausgedrückt werden. Und plötzlich hatten wir eine 13-14-prozentige Ertragssteigerung bei Sojabohnen.“

Mackenzie schlägt vor, dass alle Pflanzen diese Fähigkeit haben und dass „der Zustand, den wir beschreiben, wahrscheinlich ein wichtiger Teil davon ist, wie Pflanzen die Erinnerung an ihre Umgebung an die Nachkommenschaft weitergeben.“ Ihr Team hat sich für die Arbeit mit Sojabohnen entschieden, weil sie die am häufigsten angebaute Hülsenfrucht der Welt ist und nach Gräsern an zweiter Stelle in der wirtschaftlichen Bedeutung steht. Aber sie haben begonnen, auch mit anderen Pflanzen zu arbeiten.

Warum interessiert uns das?

Diese Arbeit hat erhebliche Auswirkungen auf die Pflanzenzüchtung. Anders als bei gentechnisch veränderten Organismen wird kein neues genetisches Material in die Pflanze eingebracht. Vielmehr ist diese Technik „epigenetisch“ und beinhaltet die Expression vorhandener Gene.

Es hat auch erhebliche Auswirkungen auf unsere Fähigkeit, Lebensmittel in Klimazonen anzubauen, die in Zukunft möglicherweise rauer werden. Möglicherweise können wir hitze- und trockenheitstolerantere Gräser, Körner und Hülsenfrüchte züchten. Tatsächlich hat Mackenzie diese Forschungsrichtung verfolgt, um die Ernährungssicherheit auf der ganzen Welt zu verbessern.

An Orten wie Syrien und dem Libanon, die so stark von Klimawandel und Krieg betroffen sind, dass sie ihre eigenen Lebensmittel nicht produzieren können, wird dies besonders wichtig sein, bemerkte sie.

„Wenn Sie anfangen, Länder zusammenzurechnen, die wirklich nicht lebensmittelsicher sind, ist das beängstigend“, sagte Mackenzie. „Denn wenn sie ihre eigenen Leute nicht ernähren können, wer soll es dann tun? Es ist nicht vernünftig zu glauben, dass wir unsere Nahrungsmittelproduktion auf diesem Kontinent erhöhen können, um all das zu bewältigen. Auf die eine oder andere Weise müssen wir Wege finden, Lebensmittel in diesen widerspenstigen, schwierigen Umgebungen zu produzieren.“

Bleib dran! Ich werde nach Beispielen dafür suchen, wie diese Technik in Zukunft zugunsten von Viehzüchtern eingesetzt wird.

Diese Geschichte stammt aus zwei Pressemitteilungen von Penn State:  Pflanzen geben die „Erinnerung“ an Stress an einige Nachkommen weiter, wodurch sie widerstandsfähiger werden t und das „Erschrecken“ von Sojabohnen in den defensiven Modus bringt eine Generation später bessere Pflanzen hervor.