Pflanzliche Verteidigung unter arktischen Lichtbedingungen
Die durch den Klimawandel verursachten höheren Temperaturen in subarktischen und arktischen Regionen, insbesondere in Skandinavien, lassen eine Zunahme der Landwirtschaft und ihrer Erträge in diesen Regionen erwarten. Gleichzeitig werden Krankheitserreger und Schädlinge diese Erträge wieder schmälern, da der Klimawandel auch die Ausbreitung solcher Organismen in diesen Regionen begünstigen wird. Das bedeutet, dass der durch den Klimawandel bedingte Verlust von bisher landwirtschaftlich genutzten Flächen im Süden höchstwahrscheinlich nicht durch neu hinzukommende Flächen im Norden kompensiert werden kann. Im Gegenteil, neue invasive Schädlinge könnten größere Schäden verursachen als heimische. Dieses Szenario könnte sich jedoch als falsch erweisen. Eine Reihe von Studien zeigt, dass mit zunehmendem Breitengrad die konstitutive chemische Abwehr der Pflanzen und damit ihre Resistenz gegen Schädlinge zunimmt. Der Grund dafür ist unbekannt. Wir vermuten, dass die Länge der Tage im Sommer in hohen nördlichen Breiten eine wichtige dabei Rolle spielt. Sie kann die lichtabhängige Anreicherung eines Pflanzenhormons, Jasmonat, positiv beeinflussen. Dieses Phytohormon sorgt dann für eine verstärkte Synthese und Anreicherung von chemischen Abwehrstoffen, was den Pflanzen eine größere Widerstandskraft verleiht. Diese Zusammenhänge möchten wir gerne aufzudecken.
Feldstudien mit wild wachsenden Heidelbeeren (Vaccinium myrtillus L.) unter arktischen Sommerbedingungen in Norwegen (Tromsø: 69° N) mit einer lang anhaltenden Periode von Tagen mit 24 Stunden Sonnenschein, im Vergleich zu Pflanzen, die in Deutschland (Jena: 50° N) wachsen, sollen die Auswirkungen solcher Lichtbedingungen auf das Abwehrsystem der Pflanzen zeigen. Umfassende Analysen beinhalten phänotypische Blattmerkmale, gezielte Phytohormonbestimmung, ungezielte Metabolomik, Transkriptomik und kontrollierte Behandlungen gegen Fressfeinde. Diese Untersuchungen werden uns Einblicke in das Verständnis der Mechanismen der lichtabhängigen Abwehrregulation bei Heidelbeeren ermöglichen. Die Kenntnis der zugrundeliegenden molekularen und phytochemischen Prozesse kann dazu beitragen, die Widerstandsfähigkeit vieler Pflanzen zu erhöhen, und könnte somit einen transformativen Einfluss auf Pflanzen im Allgemeinen und die Landwirtschaft im Besonderen haben.
Unsere Pläne
Um die Auswirkungen der Lichtverhältnisse im arktischen Sommer auf die Abwehrfähigkeit von Pflanzen, die im hohen Norden angebaut werden, gegen vorhandene und invasive pflanzenfressende Schädlinge zu untersuchen, werden wir experimentelle Laborstudien mit Feldstudien kombinieren. Letztere werden an zwei Standorten durchgeführt, in Tromsø, Norwegen, und in Jena, Deutschland. Die Pflanze der Wahl ist die holoarktische Strauchpflanze Heidelbeere (Vaccinium myrtillus L.). Die Heidelbeere kommt in beiden Ländern natürlich vor.
- In einem wechselseitigen Verpflanzungsexperiment werden wir zunächst die Leistung von Heidelbeerpflanzen im Freiland beobachten, die unter den jeweiligen Lichtbedingungen in Jena und Tromsø gewachsen sind. Parallel dazu werden wir auch die Umwelt-, Wetter- und Lichtbedingungen überwachen.
- In einem zweiten Schritt werden wir die Phytohormone sowie die Stoffwechselprodukte (Metaboliten) und Transkriptomveränderungen dieser Pflanzen analysieren und vergleichen. Der Einsatz moderner Techniken wie LC-MS/MS für die Metabolomik und RNAseq für die Transkriptomik bietet die idealen experimentellen Ansätze.
- Drittens werden wir auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse eine Reihe von Experimenten mit kontrolliertem Befall von pflanzenfressenden Schädlingen unter verschiedenen Lichtbedingungen durchführen und die Abwehrreaktionen durch gezielte Metabolomik- und Genexpressionsanalysen analysieren.
