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Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften (JKIP)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Wissenschaftliches Portrait


Unsere Forschung

Das Leben ist nicht einfach. Man kann auf zweierlei Weise darauf reagieren – wegrennen oder sich anpassen. Pflanzen können nicht rennen, also müssen sie sich an widrige Umstände anpassen. An der Abteilung für Molekulare Zellbiologie versuchen wir zu verstehen, wie. Der Schlüssel ist die pflanzliche Zelle, ihre Flexibilität und Resilienz. Wie passt sie ihre Gestalt und ihren Stoffwechsel an die Herausforderungen der Umwelt an? Wie kann sie verschiedene Stressbedingungen und deren Kombination wahrnehmen, verarbeiten und angemessen darauf reagieren? Wie kann Evolution, erfolgreichste Problemlösungsstrategie auf unserem Planeten, dabei helfen Gene der Resilienz in der biologischen Vielfalt zu finden, die uns zur Verfügung steht?

Als Forschende wollen wir vor allem verstehen. Freilich wollen wir unser Wissen auch anwenden, um etwas in der Welt zu bewegen. Daher arbeiten wir mit Nutzpflanzen wie Reis, Sorghum und Weinrebe. In der Vergangenheit haben wir die Signale untersucht, die das Immunsystem der Weinrebe steuern und herausgefunden, dass die Jasmonate, zentrale Regulatoren der pflanzlichen Stressreaktion, wichtige Entscheidungsgeber sind – wird eine Zelle auf Stress mit Anpassung antworten oder wird sie sich dafür entscheiden, sich für das Überleben der anderen Zellen zu opfern? Diese Entscheidung hängt davon ab, in welchem zeitlichen Muster der Jasmonatweg aktiv wird.


Unser Beitrag für Kliwiresse

Wenn wir herausfinden, dass sich ein Prozess unter Stress verändert, sagt das zunächst noch nicht sehr viel – zwar könnte es ein Teil der Anpassung sein, ebensogut könnte es aber einfach eine Folge der durch den Stress ausgelösten Schädigung sein. Die umfangreichen und komplexen Daten, die in unserem Projekt entstehen, müssen gedeutet werden, um Nutzen zu bringen. Hier bringen wir mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung im Bereich Pflanzenstress mit ein, wobei unser Schwerpunkt auf dem Verständnis der molekularen Grundlagen der Stressreaktion liegen. Dieses Wissen wird uns dabei helfen, herauszufinden, was die beobachteten Phänomene nun tatsächlich bedeuten.

Unser zweiter Beitrag ist unsere Sammlung der Europäischen Wildrebe (Vitis sylvestris). Dieser wilde Vorfahr unserer Rebe ist beinahe ausgestorben. Ursprünglich als Teil eines Artenschutzprojekts konnten wir eine Sammlung zusammentragen, die inzwischen den gesamten Genbestand für diese Wildart abdeckt, den es in Deutschland und darüber hinaus noch gibt.

Gleichzeitig konnte das gesamte Erbgut dieser Sammlung entziffert werden. Daraus entstand unsere Datenbank GrapeKIT, so dass wir nun für jedes Gen von Interesse nachschauen können, welche Varianten die Natur hervorgebracht hat. Hinterher können wir uns diese Variante direkt aus der entsprechenden Pflanze holen und untersuchen. Ein umfangreicher Vergleich von zahlreichen Genomen der Weinrebe (Dong et al., 2023) zeigt, wie die Rebe während ihrer jüngeren Evolution, aber auch während ihrer Domestizierung durch uns Menschen eine eindrucksvolle Dynamik von genetischem Austausch und von Migration durchlaufen hat. Diese Geschichte hat im Erbgut der Wildrebe Spuren hinterlassen – in Form von Genen, die für die Resilienz gegen den Klimawandel wichtig sind. Erste Kandidaten haben wir schon gefunden und gemeinsam mit unserem Partner JKI eine Kreuzungspopulation hergestellt..


Bisherige Ergebnisse

Wie sind wir vorgegangen?
Die Frage, wie Weinreben Hitzestress wahrnehmen und darauf reagieren, ist bisher noch sehr wenig erforscht. Daher wurden Jungpflanzen von Riesling (hitze-empfindlich) und der Wildrebe Hördt 29 (hitze-tolerant) unter kontrollierten Bedingungen mit Hitzestress konfrontiert, um herauszufinden, welche molekulare oder physiologische Unterschiede mit Hitzetoleranz zusammenhängen. Zuerst einmal mussten zahlreiche technische und methodische Fragen geklärt werden, um die Situation im Weinberg möglichst wirklichkeitsnah abbilden zu können Wie lange soll der Stress andauern? Wie hoch soll die Temperatur sein? Welche Messungen sollen durchgeführt werden? Mit welchen Methoden kann man die Situation im Weinberg, wo man die Bedingungen ja nicht kontrollieren kann, wissenschaftlich untersuchen?

Unser Werkzeugkasten
Inzwischen haben wir einen gut funktionierenden Werkzeugkasten entwickelt, mit dem wir Hitzetoleranz verschiedener Reben zuverlässig einschätzen können. Dieser Werkzeugkasten enthält nicht-invasive physiologische Methoden wie Messungen von Stomataöffnung oder Photosyntheseleistung, molekulare Bestimmung des Stresszustands wie Messung von reaktiven Sauerstoffspezies oder die Aktivität von Stress-Signal oder -Abwehrgenen, aber auch Methoden, womit man das Stressgedächtnis einer Pflanze bestimmen kann wie etwa Kohlenstoff-Isotop-Diskriminierung oder Bestimmung von Jasmonat-Abbauprodukten. Da die Versuche mit Pflanzen sehr aufwendig sind und viel Zeit, Platz, Arbeit und Infrastruktur benötigen, suchten wir nach einem Weg, wie man mit Blattscheiben schnell und robust die Hitzetoleranz der Pflanze messen kann.



Diesen Test konnten wir inzwischen erfolgreich entwickeln und damit auch schon die Hitzetoleranz von einigen Rebsorten messen. Hier zeigten sich Riesling und Morio Muscat als empfindlich, während die Wildrebe Hördt 29, aber auch Chardonnay sehr gut abschnitten, die PiWi-Rebe Calardis Blanc bewegte sich in der Mitte. Diese Methode werden wir ihn im kommenden Sommer dazu einsetzen, eine große Zahl von Rebsorten, aber auch Wildreben, durchzumessen.

Wie entsteht Hitzetoleranz?
Zentrale Faktoren für eine bessere Hitzetoleranz waren eine rasche Aktivierung bestimmter Hitzeschockproteine, aber auch eine bessere Kommunikation zwischen Mitochondrien und Zellkern dingfest machen. Zu Beginn einer Hitzeperiode öffnen alle Pflanze, egal ob empfindlich oder tolerant, die Spaltöffnungen, um durch Verdunstung von Wasser die Blatt-Temperatur absenken zu können (ähnlich wie wir Menschen durch Schwitzen versuchen, unsere Körpertemperatur zu senken). Während sensitive Pflanzen, etwa unser Riesling, die Spaltöffnungen selbst nach Tagen noch geöffnet lassen müssen und so sehr viel Wasser verlieren, kann die resistente Wildrebe Hördt 29 durch ihre effizientere Bildung von Hitzeschockproteinen schon nach wenigen Stunden wieder damit beginnen, die Spaltöffnungen zu schließen und kann so das Wasser besser halten.



Aktuelle Veröffentlichungen mit Bezug zum Projekt

Gong PJ, Metzger C, Khattab I, Kaźmierczak A, Riemann M, Nick P (2023) Two ways to die: species dependent PCD modes in grapevine cells. Plant Science 332, 111695

Dong Y, Duan S, Xia Q, Liang Zh, Dong X, Margaryan K, Musayev M, Goryslavets S, Zdunić G, Bert PF, Lacombe T, Maul E, Nick P, et al. (2023) Dual domestications and origin of traits in grapevine evolution. Science, 379, 892-901

Sofi KG, Metzger C, Riemann M, Nick P (2023) Chitosan triggers actin remodelling and activation of defence genes that is repressed by calcium influx in grapevine cells. Plant Science 326, 111527

Daldoul S, Hanzouli F, Hamdi Z, Chenenaoui S, Wetzel T, Nick P, Mliki A, Gargouri M (2022) The root transcriptome dynamics reveals new valuable insights in the salt-resilience mechanism of Mediterranean wild grapevine (Vitis vinifera subsp. sylvestris). Front Plant Sci 13, 1077710

Khattab IM, Sahi VP, Baltenweck R, Grondard AM, Hugueney P, Bieler E, Dürrenberger M, Riemann M, Nick P (2021) Ancestral chemotypes of cultivated grapevine with resistance to Botryosphaeriaceae related Dieback allocate metabolism towards bioactive stilbenes. New Phytologist 229, 1133-1146

Ge XS, Hetzer B, Tisch C, Kortekamp A, Nick P (2023) Surface wax in the ancestral grapevine Vitis sylvestris correlate with partial resistance to Powdery Mildew. BMC Plant Biology 23, 304

Gajjar P, Ismail A, Islam T, Darwish AG, Moniruzzaman MD, Abuslima E, Dawood AS, El-Saady AKM, Tsolova V, Nick P, Sherif SM, Abazinge MD, El-kereamy A, El-Sharkawy I (2023) Physiological Comparison of Two Salt-Excluder Hybrid Grapevine Rootstocks Under Salinity Reveals Differential Adaptation Quality. Plants 12, 324.

Tisch C, Kortekamp A, Nick P (2024) Searching new targets for the control of Black Rot: following the role of host factors modulating the infection process of Phyllosticta ampelicida. Plant Biology 26, 292-304

Nick P (2023) Towards a Grammar of Plant Stress – Modular Signalling Conveys Meaning. Theor Exp Plant Physiol. doi 10.1007/s40626-023-00292-2
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