Pflanze/Umwelt-Interaktion

Wir untersuchen die Reaktionen einer Pflanze auf Veränderungen ihrer Umwelt mit dem Ziel,  Anpassungsstrategien aufzuklären. Dabei stehen "abiotische" Umweltfaktoren, z.B. Temperatur oder  Lichtintensität,  im Vordergrund. Für unsere Untersuchungen nutzen wir die Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Sie kommt in Europa in sehr unterschiedlichen Klimaten vor, und wir konnten zeigen, dass die Frosttoleranz verschiedener Populationen mit den jeweiligen Habitat-Temperaturen korreliert.

Niedrige Temperaturen, Wassermangel oder die Versalzung von Böden haben gemeinsam, dass sie zu einer Entwässerung von Zellen führen. Damit einher geht eine Anreicherung gelöster Stoffe in der Zelle, die im Extremfall den Stoffwechsel zum Erliegen bringen kann. Wichtiger noch scheint eine Beeinflussung von Membraneigenschaften: Biomembranen, die die Zelle selbst, aber auch ihre Organellen, umgeben, verlieren beim Wasserentzug ihre Beweglichkeit, werden starr und reißen schließlich. Dies hat den Zelltod zur Folge.

Bei der Akklimatisierung an niedrige Temperaturen kommt es zu einer Anhäufung von Zuckern, denen eine Schutzwirkung für die Zelle zugeschrieben wird. Dabei scheinen in unterschiedlichen Zellkompartimenten unterschiedliche Zucker eine Rolle zu spielen (Knaupp et al., 2011). Die Verteilung der Zucker innerhalb der Zelle ändert sich während einer Kältephase (Nägele & Heyer, 2013). Mathematische Simulationen zeigen, dass das Ausmaß der Dynamik mit der Frosttoleranz korreliert.
Aber auch die  Regulation des übrigen Stoffwechsels muss an die veränderten Bedingungen angepasst werden (Nägele et al., 2012, Hörmiller et al., 2016). Die lange unverstandene Ursache für die Akkumulation von Glukose und Fruktose in der Kälte scheint im Verhindern einer zu starken Entwässerung der Zelle zu liegen (Hörmiller et al., 2018).