Auch Pflanzen werden gestresst (noch mehr in einer sich ständig verändernden Umgebung)
Pflanzen sind im Laufe ihres Lebens einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt, die ihr Wachstum beeinträchtigen und ihre Gesundheit gefährden können. Diese externen Bedrohungen können kategorisiert werden als abiotische Belastungen wenn verursacht durch „unbelebte Faktoren“ (B. Frost/Kälte oder Hitze, Wassermangel oder Überschwemmung, UV-Strahlung, Bodenversalzung, Nährstoffmangel, Luftverschmutzung und Bodenverunreinigung) oder wie biotische Belastungen wenn sie durch „lebende Faktoren“ verursacht werden (z. B. Viren, Bakterien, Pilze, Nematoden, Insekten, Unkräuter).
Je nach Intensität und Dauer des Stresses können Umweltfaktoren die Entwicklung der Pflanzenorgane (unter- und/oder oberirdisch) leicht beeinträchtigen oder die Pflanzenreproduktion ernsthaft beeinträchtigen. Im schlimmsten Fall können Pflanzen einer Kombination von Umweltstressoren ausgesetzt sein, die ihr Überleben stark gefährden.
Gestresste Organe senden Signale außerhalb und innerhalb der Pflanzen
Im März 2023, die wissenschaftliche Zeitschrift Zelle veröffentlichte einen Forschungsartikel, der eine merkwürdige Reaktion von Pflanzen unter Druck zeigte: Sie sind „ruhig“, wenn sie unter optimalen Bedingungen wachsen, aber „schreien“, wenn sie gestresst sind. Die Wissenschaftsnachrichten sind weg um die weltweit wie ausgehandelt und gekauft ausgeführt wird. und diese unerwarteten Ergebnisse gingen in den sozialen Medien viral. Was zeigt der Artikel genau?
Das Forschungsteam koordiniert von Prof. Lilach Hadany (Fakultät für Pflanzenwissenschaften und Ernährungssicherheit, Universität Tel Aviv) festgestellt, dass Tomaten- und Tabakpflanzen zwei Tage nach Wasserentzug oder körperlichen Schäden beginnen, Ultraschallgeräusche in der Nähe (3-5 Meter entfernt) auszusenden. Dieses Phänomen könnte verursacht werden durch Hohlraumbildung – die Bildung von Luftblasen, wenn Wassersäulen in Pflanzenstängeln zusammenbrechen, die Dürre oder Verwundung ausgesetzt sind. Menschen können diese Frequenzen nicht hören, aber Wissenschaftler untersuchen derzeit die Möglichkeit, dass andere Organismen – wie Insekten, kleine Säugetiere, andere Pflanzen – die in derselben Umgebung leben, die Geräusche wahrnehmen und darauf reagieren können.
Neben „Schmerzschreien“ erfahren gestresste Pflanzen wie Tiere auch innere Hormonschwankungen. Tatsächlich ist seit langem bekannt, dass sich Pflanzen, die unter suboptimalen Bedingungen leben, anreichern Stresshormone die im Pflanzenkörper wirken, um eine Vielzahl von Abwehr- und Anpassungsreaktionen auf molekularer, zellulärer und physiologischer Ebene auszulösen.
Hormone und Phytohormone
Mehrzellige Organismen (wie Tiere, Pflanzen und Pilze) produzieren Signalmoleküle, sogenannte Hormone, die sich durch ihren Körper bewegen, um Entwicklungs- und physiologische Prozesse zu regulieren. Diese chemischen Botenstoffe sind in sehr geringen Konzentrationen aktiv und können von ihrem Produktionsort zu entfernten Geweben und Organen wandern, wo sie molekulare und zelluläre Reaktionen hervorrufen.
Die Phytohormone wurde geprägt von Frits Went und Kenneth Thimann 1937 zur Beschreibung organischer Verbindungen, die lokal und systemisch als Pflanzenwachstumsregulatoren wirken können. Phytohormone werden im Allgemeinen benötigt, um die Bildung verschiedener Organe während des gesamten Pflanzenlebenszyklus zu regulieren, aber einige von ihnen (z. Abscissinsäure und Jasmonsäure) – werden auch unter Stressbedingungen aktiviert, um Pflanzenwachstum und -abwehr zu koordinieren, was oft Entwicklungsprozesse hemmt, um das Überleben zu erhöhen.
Jasmonate: Produktion, Transport & Signaltransduktion
Diese Klasse von Lipid-abgeleiteten Phytohormonen wurde zuerst beschrieben im Jahr 1962 angegeben und Jasmonate (JAs) genannt, da ihre Struktur aus Ölextrakten identifiziert wurde Jasmin Grandiflorum Blumen. Seit ihrer Entdeckung haben mehrere Forschungsgruppen weltweit die Stoffwechselwege untersucht, die zur Biosynthese von JAs und zur Akkumulation ihrer Vorläufer beitragen, sowie katabolische Reaktionen, die bioaktive Hormone in inaktive Verbindungen umwandeln (schön besprochen von Wasternack & Hause, 2013 und Wasternack & Song, 2017).
JAs leiten sich von mehrfach ungesättigten Fettsäuren ab, wie z α-Linolensäure, durch eine komplexe Reihe von Stoffwechselreaktionen, die nacheinander in verschiedenen Kompartimenten der Pflanzenzelle (z. B. Chloroplasten, Peroxisom, Cytosol) stattfinden. Einige JAs-Vorläufer werden auch in der Vakuole gespeichert.
Wie kann der Stress die Produktion von JAs induzieren? Bei einem Angriff von außen können geschädigte Pflanzen „fremde Metaboliten“ – wie Microbe-Associated Molecular Patterns (MAMPs) und Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs) – erkennen, die als solche wirken Auslöser, Moleküle, die in der Lage sind, eine Kaskade von zellulären und molekularen Ereignissen (Signaltransduktionsweg) auszulösen, die zur Induktion des JA-Metabolismus führen.
Angesammelte JAs können lokal (Übertragung über kurze Entfernungen zu benachbarten Zellen) oder systemisch (Übertragung über große Entfernungen zu entfernten Zellen durch Gefäßsysteme) transportiert werden. Beispielsweise ist der Phloem-vermittelte Transport für die Blatt-zu-Blatt- und Stängel-zu-Stängel-Kommunikation unerlässlich. Die lokale und systemische Signalübertragung wird durch eine Familie von JAs-Transportern (genannt JAT) mit unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen erleichtert, die den zellulären Import/Export von Hormonen und den nukleären Import fördern (überprüft von Li et al., 2021).
Downstream-Effekte des JA-Signalwegs: Abwehrreaktion auf Pathogenangriff
Im Zellkern lösen JAs Veränderungen in der Transkription ausgewählter Gene aus, die an der Stresssignalisierung und Abwehrreaktion beteiligt sind. Beispielsweise aktiviert die Ansammlung von JAs als Reaktion auf Insektenangriffe die Expression von Genen, die Proteine mit toxischen Wirkungen oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs) kodieren, die natürliche Feinde der Pflanzenfresser anziehen (überprüft von Erb & Reymond, 2019). Ebenso induziert ein Derivat von JA die Biosynthese von Terpen, einem sekundären Metaboliten mit einer starken antimykotischen Aktivität, der Resistenz gegen Grauschimmel verleiht, der durch verursacht wird nekrotropher Erreger Botrytis cinerea in Erdbeere (berichtet in Zhang et al. 2022).
Neugier: JAs & Evolution des pflanzlichen Fleischfressers
JAs sind auch an der Interaktion zwischen Insekten und fleischfressenden Pflanzen beteiligt, die in nährstoffarmen Umgebungen leben. Genauer gesagt wird der JA-Weg beim zweiten mechanischen Stimulus in der Pflanze aktiviert Dionaea muscipula (allgemein bekannt als Venusfliegenfallen), gefolgt von der Induktion von Genen, die für Hydrolasen kodieren – lytische Enzyme, die bei der Verdauung von Insektenbeutetieren verwendet werden, die in den Pflanzenlappen gefangen sind.
Vorgeschlagene Literatur
Abiotische Stressreaktionen in Pflanzen | Nature Reviews Genetik
Geräusche, die von Pflanzen unter Stress abgegeben werden, sind luftgetragen und informativ: Zelle
Metabolismus, Signalisierung und Transport von Jasmonaten – ScienceDirect
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