Munich, Germany
January 4, 2022
Prof. Brigitte Poppenberger and her team have elucidated the molecular signaling pathway for heat resistance in plants. - Image: A. Heddergott / TUM
How plants respond to heat stress
Plants, like other organisms, can be severely affected by heat stress. To increase their chances of survival, they activate the heat shock response, a molecular pathway also employed by human and animal cells for stress protection. Researchers from the Technical University of Munich (TUM) have now discovered that plant steroid hormones can promote this response in plants.
It may be hard to remember in winter, but July 2021 was the hottest month ever documented. In the USA, the mean temperature was higher than the average for July by 2,6 degrees Fahrenheit, and many southern European countries saw temperatures above 45 degrees Celsius including an all-time high temperature of 48,8 degrees Celsius recorded on the eastern coast of Sicily in Italy.
The past few decades have seen increased incidences of heat waves with record highs around the globe, and this is seen as a result of climate change. Heat waves have been occurring more frequently, have been hotter, and have been lasting longer with severe consequences not only for humans and animals but also for plants. “Heat stress can negatively affect plants in their natural habitats and destabilize ecosystems while also drastically reducing crop harvests, thereby threatening our food security,” says Brigitte Poppenberger, Professor for Biotechnology of Horticultural Crops.
Cells activate a molecular defense pathway for heat stress protection
To survive short periods of heat stress, plants activate a molecular pathway called the heat-shock response. This heat-shock response (common to all organisms) protects cells from damage inflicted by proteotoxic stress, which damages proteins. Such stress is not only caused by heat but can also result from exposure to certain toxins, UV light, or soil salinity.
The heat shock response protects cells in various ways, one of them being production of so-called heat-shock proteins, which serve as molecular shields that protect proteins by preventing misfolding.
Brassinosteroids can increase the heat stress resistance of plants
Plants respond to heat stress by activating heat shock factors and also other molecular players. In particular, hormones as chemical messengers are involved. Among the hormones that plants produce are the brassinosteroids, which primarily regulate their growth and developments. But, in addition to their growth-promoting properties, brassinosteroids have other interesting abilities, one of them being their ability to increase the heat stress resistance of plants, and researchers at TUM have recently discovered what contributes to this protective ability.
Using the model plant Arabidopsis thaliana, a research group led by Prof. Brigitte Poppenberger has been able to elucidate how a specific transcription factor - a special protein responsible for switching certain sections of the DNA on or off - is regulated by brassinosteroids. This transcription factor, called BES1, can interact with heat shock factors thereby allowing genetic information to be targeted towards increased synthesis of heat shock proteins.
When BES1 activity is increased, plants become more resistant to heat stress, and when it is decreased, they become more sensitive to it. Furthermore, the group has demonstrated that BES1 is activated by heat stress and that this activation is stimulated by brassinosteroids.
Potential applications in agriculture and horticulture
“These results are not only of interest to biologists trying to expand our understanding of the heat shock response but also have potential for practical application in agriculture and horticulture,” says Prof. Poppenberger.
Bio-stimulants containing brassinosteroids are available and can be tested for their ability to increase heat stress resistance in plants. Such substances are natural products that are approved for organic farming and thus could be used without problems. Alternatively, BES1 may be an interesting target for breeding approaches. This could be used to create varieties that are more resistant to heat stress and thus provide more stable yields in the event of future heat waves.
Publications:
Albertos, P., Duendar, G., Schenk, P., Carrera, A., Cavelius, P., Sieberer, T., and Poppenberger, B. (2022): The transcription factor BES1 interacts with HSFA1 to promote heat stress resistance of plants. EMBO Journal. DOI: 10.15252/embj.2021108664
More information:
This work was supported by the TUM University Foundation, the Alexander von Humboldt Foundation, and the German Research Foundation.
Prof. Brigitte Poppenberger is a member of the World Agricultural Systems Center - Hans Eisenmann-Forum (HEF) for Agricultural Sciences, an institute of the TUM.
Steroidhormone tragen zur Hitzestressresistenz von Pflanzen bei
Wie Pflanzen auf Hitzestress reagieren
Pflanzen können, genau wie andere Organismen auch, durch Hitze stark geschädigt werden. Um ihre Überlebenschancen zu erhöhen, nutzen sie die Hitzeschockreaktion, einen molekularen Signalübertragungsweg, der auch von menschlichen und tierischen Zellen zum Schutz aktiviert wird. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben nun herausgefunden, dass pflanzliche Steroidhormone diese Schutzwirkung bei Pflanzen verstärken können.
Es mag schwer fallen sich jetzt im Winter noch daran zu erinnern, aber der Juli 2021 war der heißeste Monat, der jemals dokumentiert wurde. In den USA lag die Temperatur 2,6 Grad Fahrenheit höher als im langjährigen Durchschnitt und Europa verzeichnete in vielen seiner südlichen Länder Temperaturen von über 45 Grad Celsius, mit einem Allzeit-Rekordhoch von 48,8 Grad Celsius an der Ostküste Siziliens.
Solche Hitzeperioden, mit immer neuen Rekordtemperaturen, sind in den letzten Jahrzehnten deutlich häufiger geworden, was als Folge des Klimawandels gewertet wird. Hitzewellen treten regelmäßiger auf, werden heißer und dauern länger an, mit schwerwiegenden Folgen nicht nur für Mensch und Tier, sondern auch für Pflanzen. „Hitzestress gefährdet Pflanzen in ihren natürlichen Lebensräumen und destabilisiert Ökosysteme. Aber auch die Erträge von Nutzpflanzen können drastisch reduzieren werden, was unsere Nahrungsmittelsicherheit gefährdet“, sagt Brigitte Poppenberger, Professorin für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen an der TUM.
Zellen aktivieren zum Schutz vor Hitze eine molekulare Abwehrreaktion
Pflanzen haben Fähigkeiten entwickelt, um kurze Hitzeperioden zu überstehen: Sie können einen molekularen Signalübertragungsweg aktivieren, die so genannte Hitzeschockreaktion. Diese Reaktion nutzen alle Organismen. Sie schützt Zellen unter anderem vor Schäden durch proteotoxischen Stress, der Proteine schädigt und nicht nur durch Hitze, sondern auch durch andere Faktoren verursacht werden kann. Dies sind etwa bestimmte Toxine, UV-Licht oder zu hohe Salzkonzentrationen in Böden.
Die Hitzeschockantwort schützt die Zellen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Produktion sogenannter Hitzeschockproteine, die als molekulare Schutzschilder dienen, um eine Fehlfaltung von Proteinen zu vermeiden.
Brassinosteroide können die Hitzestressresistenz von Pflanzen erhöhen
Pflanzen antworten auf den Hitzestress unter anderem mit so genannten Hitzeschockfaktoren aber auch mit anderen molekularen Akteuren. Insbesondere Hormone, also chemische Botenstoffe, sind hier beteiligt. Eine Gruppe von Hormonen sind die Brassinosteroide, Steroide, die Pflanzen bilden, um ihr Wachstum und ihre Entwicklung zu regulieren. Neben wachstumsfördernden Eigenschaften besitzen sie auch andere interessante Fähigkeiten: Sie können die Hitzestressresistenz von Pflanzen erhöhen. Forschende der TUM haben herausgefunden, was zu dieser Schutzfähigkeit beiträgt.
Unter Nutzung der Modell-Pflanze Arabidopsis thaliana konnte die Gruppe von Prof. Brigitte Poppenberger aufklären, wie ein bestimmter Transkriptionsfaktor, also ein spezielles Protein das für das An- und Abschalten bestimmter Abschnitte auf der DNA zuständig ist, von Brassinosteroiden reguliert wird. Dieser Transkriptionsfaktor namens BES1 kann mit Hitzeschockfaktoren interagieren, wodurch genetische Information gezielt genutzt werden kann, um Hitzeschockproteine verstärkt zu synthetisieren.
Wenn die Aktivität von BES1 erhöht wird, werden Pflanzen widerstandsfähiger gegen Hitzestress, wenn sie verringert wird, werden sie empfindlicher. Die Gruppe konnte weiter zeigen, dass BES1 durch Hitzestress aktiviert wird und dass diese Aktivierung durch Brassinosteroide stimuliert wird.
Mögliche Anwendung in der Landwirtschaft und im Gartenbau
„Diese Ergebnisse sind nicht nur für Biologinnen und Biologen interessant, die versuchen, das Verständnis der Hitzeschockreaktion zu erweitern, sondern haben auch Potenzial für eine Anwendung in der Landwirtschaft und im Gartenbau“, sagt Prof. Poppenberger.
Biostimulanzien, die Brassinosteroide enthalten, sind verfügbar und können auf ihre Fähigkeit getestet werden, die Hitzestressresistenz von Pflanzen zu erhöhen. Bei solchen Substanzen handelt es sich um Naturstoffe, die für den ökologischen Landbau zugelassen sind und somit problemlos eingesetzt werden könnten. Alternativ kann BES1 ein interessantes Ziel für Züchtungsansätze darstellen. Damit könnten Sorten geschaffen werden, die hitzestressresistenter sind, und dadurch ertragsstabiler, wenn die nächste Hitzewelle kommt.
Publikationen:
Albertos, P., Duendar, G., Schenk, P., Carrera, A., Cavelius, P., Sieberer, T., and Poppenberger, B. (2022): The transcription factor BES1 interacts with HSFA1 to promote heat stress resistance of plants. EMBO Journal. DOI: 10.15252/embj.2021108664
Mehr Informationen:
Prof. Brigitte Poppenberger ist Mitglied des Hans Eisenmann-Forums (HEF) für Agrarwissenschaften, einem Zentralinstitut der TUM.
Diese Arbeit wurde von der TUM Universitätsstiftung, der Alexander von Humboldt Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert.
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