Wie Pflanzen der Hitze trotzen können:Ihr Gedächtnismechanismus zur Anpassung an Hitzestress

"Wenn Sie die Hitze nicht ausstehen, verlassen Sie die Küche." Aber was ist, wenn Sie eine Pflanze sind und das einfach nicht möglich ist? Es stellt sich heraus, dass sie andere Optionen haben. Forscher aus Japan haben entdeckt, dass Pflanzen dank eines bestimmten Mechanismus für das „Gedächtnis“ von Hitzestress Hitzetoleranz erlangen können, um sich besser an zukünftigen Hitzestress anzupassen.

In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie haben Forscher des Nara Institute of Science and Technology herausgefunden, dass eine Familie von Proteinen, die kleine Hitzeschockgene steuern, es Pflanzen ermöglicht, sich zu „erinnern“, wie sie mit Hitzestress umgehen.

Der Klimawandel, insbesondere die globale Erwärmung, ist eine wachsende Bedrohung für die Landwirtschaft weltweit. Da Pflanzen sich nicht bewegen können, um widrigen Bedingungen wie potenziell tödlichen hohen Temperaturen auszuweichen, müssen sie in der Lage sein, Faktoren wie Hitzestress effektiv zu bewältigen, um zu überleben. Daher ist die Verbesserung der Hitzetoleranz von Kulturpflanzen ein wichtiges Ziel in der Landwirtschaft.

„Hitzestress wiederholt und verändert sich oft“, sagt der Hauptautor der Studie, Nobutoshi Yamaguchi. „Sobald Pflanzen einen leichten Hitzestress erfahren haben, werden sie tolerant und können sich an weiteren Hitzestress anpassen. Dies wird als Hitzestress-„Gedächtnis“ bezeichnet und es wurde berichtet, dass es mit epigenetischen Modifikationen korreliert.“ Epigenetische Modifikationen sind vererbbare Veränderungen in der Art und Weise, wie Gene exprimiert werden, und beinhalten keine Veränderungen in den zugrunde liegenden DNA-Sequenzen.

„Wir wollten herausfinden, wie sich Pflanzen an Umweltveränderungen erinnern“, erklärt Toshiro Ito, Seniorautor. „Wir haben die Rolle von JUMONJI (JMJ)-Proteinen bei der erworbenen Temperaturtoleranz als Reaktion auf wiederkehrende Hitze innerhalb weniger Tage untersucht.“

Nun, hier wird das Gelernte für jeden kompliziert, der kein solides Verständnis von Chemie, Genstruktur, Epigenetik und dem Zusammenwirken von allem hat.

Hier ist ihre wissenschaftliche Erklärung dessen, was passiert:

JUMONJI-Proteine ​​sind Histon-Demethylasen. Demethylasen sind Enzyme, die Methylgruppen von Molekülen wie Proteinen entfernen, insbesondere Histone, die Chromosomen strukturelle Unterstützung bieten. Das Team enthüllte, dass Pflanzen in der Lage sind, das Wärmegedächtnis aufrechtzuerhalten, da H3K27me3 (Histon-H3-Lysin-27-Trimethylierung) bei kleinen Hitzeschock-Genen erniedrigt ist.

Nun, hier ist ein Bild davon, was vor sich geht, das der Rest von uns verstehen kann:

Links sehen Sie eine Pflanze, die Hitzestress erlitten hat, sich aber noch nicht akklimatisiert hat. Sehen Sie die kleinen runden Kreise, die an jedem Hitzeschockprotein angebracht sind? Das sind die Methylgruppen. Auf der rechten Seite können Sie sehen, dass das kleine PacMan-ähnliche JUMONJI-Protein zwei dieser Proteine ​​„gefressen“ und dabei einen „Erinnerungspfad“ für die Pflanze geschaffen hat, um sich zu akklimatisieren und mit zukünftigem Hitzestress fertig zu werden.

Und warum interessiert uns das?

Herr Yamaguchi sagt:„Wir fanden heraus, dass diese Proteine ​​für die Hitzeakklimatisierung in Arabidopsis thaliana (der Pflanze, die sie für ihre Studien verwendeten) notwendig sind. Diese Ergebnisse werden zusammen mit zukünftigen Studien die Mechanismen des Pflanzengedächtnisses und der Anpassung weiter klären.“ Er sagt, dass diese Forschung für die genetische Forschung in einer Reihe von Bereichen relevant sein wird, darunter Biologie, Biochemie, Ökologie sowie Umwelt- und Agrarwissenschaften, und auf das Studium von Tieren sowie Pflanzen anwendbar ist.

Für den Rest von uns bedeutet dies, dass wir durch das Verständnis dieser Mechanismen Möglichkeiten haben, Pflanzen dabei zu helfen, Erinnerungen zu entwickeln, die ihre Hitzetoleranz verbessern, um die Nahrungsversorgung unter natürlichen Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Wenn Sie das vollständige Papier lesen möchten, finden Sie es hier:H3K27me3-Demethylases verändern die HSP22- und HSP17.6C-Expression als Reaktion auf wiederkehrende Hitze in Arabidopsis

Hier erfahren Sie mehr über das Labor von Projektleiter Ito und seine Arbeit .