Abteilung Pflanzen- Biotechnologie

Pflanze/Umwelt-Interaktion

Wie reagiert eine Pflanzen auf Veränderungen ihrer Umwelt?

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).

Publikationen zum Thema

  1. Küstner, L., Fürtauer, L., Weckwerth, W., Nägele, T., Heyer, A.G.: Subcellular dynamics of proteins and metabolites under abiotic stress reveal deferred response of the Arabidopsis thaliana hexokinase‐1 mutant gin2‐1 to high light. Plant Journal. (2019). https://doi.org/10.1111/tpj.14491.
  2. Mishra, K.B., Mishra, A., Kubásek, J., Urban, O., Heyer, A.G., Govindjee: Low temperature induced modulation of photosynthetic induction in non-acclimated and cold-acclimated Arabidopsis thaliana: chlorophyll a fluorescence and gas-exchange measurements. Photosynthesis Research. (2018). https://doi.org/10.1007/s11120-018-0588-7.
  3. Hoermiller, I.I., Ruschhaupt, M., Heyer, A.G.: Mechanisms of frost resistance in Arabidopsis thaliana. Planta. 248, 827–835 (2018). https://doi.org/10.1007/s00425-018-2939-1.
  4. Hoermiller, I.I., Naegele, T., Augustin, H., Stutz, S., Weckwerth, W., Heyer, A.G.: Subcellular reprogramming of metabolism during cold acclimation in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Environ. 40, 602–610 (2017). https://doi.org/10.1111/pce.12836.
  5. Mishra, A., Heyer, A., Mishra, K.: Chlorophyll fluorescence emission can screen cold tolerance of cold acclimated Arabidopsis thaliana accessions. Plant Methods. 10, 38 (2014). https://doi.org/10.1186/1746-4811-10-38.
  6. Xu, E., Vaathera, L., Hörak, H., Hincha, D.K., Heyer, A.G., Brosche, M.: Quantitative trait loci mapping and transcriptome analysis reveal candidate genes regulating the response to ozone in Arabidopsis thaliana. Plant, Cell & Environment. 38, 1418–1433 (2014). https://doi.org/10.1111/pce.12499.
  7. Meissner, M., Orsini, E., Ruschhaupt, M., Melchinger, A.E., Hincha, D.K., Heyer, A.G.: Mapping quantitative trait loci for freezing tolerance in a recombinant inbred line population of Arabidopsis thaliana accessions Tenela and C24 reveals REVEILLE1 as negative regulator of cold acclimation. Plant Cell Environ. 36, 1256–1267 (2013). https://doi.org/10.1111/pce.12054.
  8. Nägele, T., Heyer, A.G.: Approximating subcellular organisation of carbohydrate metabolism during cold acclimation in different natural accessions of Arabidopsis thaliana. New Phytol. 198, 777--787 (2013). https://doi.org/10.1111/nph.12201.
  9. Distelbarth, H., Nägele, T., Heyer, A.: Responses of antioxidant enzymes to cold and highlight are not correlated to freezing tolerance in natural accessions of Arabidopsis thaliana. Plant Biol. 15, 982--990 (2013). https://doi.org/10.1111/j.1438-8677.2012.00718.x.
  10. Nägele, T., Stutz, S., Hörmiller, I.I., Heyer, A.G.: Identification of a metabolic bottleneck for cold acclimation in Arabidopsis thaliana. Plant J. 72, 102–114 (2012). https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2012.05064.x.
  11. Iftime, D., Hannah, M.A., Peterbauer, T., Heyer, A.G.: Stachyose in the cytosol does not influence freezing tolerance of transgenic Arabidopsis expressing stachyose synthase from adzuki bean. Plant Science. 180, 24--30 (2011). https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2010.07.012.
  12. Nägele, T., Kandel, B.A., Frana, S., Meissner, M., Heyer, A.G.: A systems biology approach for the analysis of carbohydrate dynamics during acclimation to low temperature in Arabidopsis thaliana. FEBS J. 278, 506--518 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07971.x.
  13. Mishra, A., Mishra, K.B., Hoermiller, I.I., Heyer, A.G., Nedbal, L.: Chlorophyll fluorescence emission as a reporter on cold tolerance in Arabidopsis thaliana accessions. Plant Signaling Behav. 6, 301--310 (2011). https://doi.org/10.4161/psb.6.2.15278.
  14. Knaupp, M., Mishra, K.B., Nedbal, L., Heyer, A.G.: Evidence for a role of raffinose in stabilizing photosystem II during freeze--thaw cycles. Planta. 234, 477--486 (2011). https://doi.org/10.1007/s00425-011-1413-0.
  15. Livingston, D.P., Hincha, D.K., Heyer, A.G.: Fructan and its relationship to abiotic stress tolerance in plants. Cellular and Molecular Life Sciences. 66, 2007--2023 (2009). https://doi.org/10.1007/s00018-009-0002-x.
  16. Korn, M., Peterek, S., Mock, H.P., Heyer, A.G., Hincha, D.K.: Heterosis in the freezing tolerance, and sugar and flavonoid contents of crosses between Arabidopsis thaliana accessions of widely varying freezing tolerance. Plant Cell Environ. 31, 813--827 (2008). https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2008.01800.x.
  17. Hincha, D.K., Livingston, D.P., Premakumar, R., Zuther, E., Obel, N., Cacela, C., Heyer, A.G.: Fructans from oat and rye: Composition and effects on membrane stability during drying. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 1768, 1611--1619 (2007). https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2007.03.011.
  18. Hannah, M.A., Wiese, D., Freund, S., Fiehn, O., Heyer, A.G., Hincha, D.K.: Natural genetic variation of freezing tolerance in Arabidopsis. Plant Physiol. 142, 98--112 (2006). https://doi.org/10.1104/pp.106.081141.
  19. Hannah, M.A., Heyer, A.G., Hincha, D.K.: A Global Survey of Gene Regulation during Cold Acclimation in Arabidopsis thaliana. PLOS Genetics. 1, (2005). https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0010026.
  20. Rohde, P., Hincha, D.K., Heyer, A.G.: Heterosis in the freezing tolerance of crosses between two Arabidopsis thaliana accessions (Columbia-0 and C24) that show differences in non-acclimated and acclimated freezing tolerance. The Plant Journal. 38, 790–799 (2004). https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2004.02080.x.
  21. Zuther, E., Büchel, K., Hundertmark, M., Stitt, M., Hincha, D.K., Heyer, A.G.: The role of raffinose in the cold acclimation response of Arabidopsis thaliana. FEBS Lett. 576, 169--173 (2004).
  22. Hincha, D.K., Zuther, E., Heyer, A.G.: The preservation of liposomes by raffinose family oligosaccharides during drying is mediated by effects on fusion and lipid phase transitions. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 1612, 172--177 (2003). https://doi.org/10.1016/s0005-2736(03)00116-0.
  23. Hincha, D.K., Zuther, E., Hellwege, E.M., Heyer, A.G.: Specific effects of fructo- and gluco-oligosaccharides in the preservation of liposomes during drying. Glycobiology. 12, 103--110 (2002). https://doi.org/10.1093/glycob/12.2.103.
  24. Popova, A.V., Heyer, A.G., Hincha, D.K.: Differential destabilization of membranes by tryptophan and phenylalanine during freezing: the roles of lipid composition and membrane fusion. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 1561, 109--118 (2002). https://doi.org/10.1016/s0005-2736(01)00462-x.
  25. Oliver, A.E., Leprince, O., Wolkers, W.F., Hincha, D.K., Heyer, A.G., Crowe, J.H.: Non-Disaccharide-Based Mechanisms of Protection during Drying. Cryobiology. 43, 151--167 (2001). https://doi.org/10.1006/cryo.2001.2359.
  26. Hincha, D.K., Hellwege, E.M., Heyer, A.G., Crowe, J.H.: Plant fructans stabilize phosphatidylcholine liposomes during freeze-drying. European Journal of Biochemistry. 267, 535–540 (2000). https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.2000.01028.x.

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