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Lexikon der Biologie: Frostresistenz

Frostresistenz w [von latein. resistere = widerstehen], Frosthärte, Fähigkeit eines Organismus, Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (Frost) ohne bleibende Schäden (Frostschäden) zu überstehen. Sie ist von Art zu Art unterschiedlich und wechselt mit der Jahreszeit, der Vorbehandlung (z.B. Abhärtung mit weniger tiefen Temperaturen) und dem Entwicklungszustand. Bei Pflanzen bzw. Pflanzenteilen wird als Vergleichsgröße jene Temperatur herangezogen, bei der nach eineinhalbstündiger Einwirkung 50% absterben. Besonders frostharte Nadelbäume und Zwergsträucher ertragen Fröste bis unter –50 °C; Fichten überstehen am sibirischen Kältepol Temperaturen von –60 ° bis –70 °C. Solche Kältegrade erfordern nicht nur frost-, sondern darüber hinaus eisfestes Gewebe (Eis) bzw. plasmatische Resistenz gegen Frostdehydratation, weil schon viel früher die in der Regel extrazelluläre Eisbildung mit ihrer stark dehydratisierenden Wirkung (Dehydratation) einsetzt. Die plasmatische Resistenz gegen Wasserentzug (Eisbeständigkeit) scheint in erster Linie durch Änderungen in der Zusammensetzung der Zell-Membran sowie durch die Bildung und Anhäufung bestimmter Zucker, organischer Säuren, Aminosäuren und Proteine als Frostschutzmittel erreicht zu werden. Durch diese Schutzmaßnahmen ist es möglich, die Bildung von spitzen, zerstörerisch wirkenden Eiskristallen zu verhindern, die Zellmembran und die innere Struktur der Zelle zu stabilisieren sowie empfindliche membrangebundene Enzyme gegen den Angriff zelleigener toxisch wirkender Stoffe abzuschirmen. Die Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) und der Weizen verfügen hierbei über einen genetischen „Hauptschalter“, der die Bildung eines Proteins induziert, das als Transkriptionsfaktor die synchrone Bildung verschiedener Frostschutzmittel vermittelt. In entsprechend behandelten transgenen Arabidopsis-Pflanzen wird dieser Signalstoff kontinuierlich produziert, so daß auch bei Wärme eine permanente Kältetoleranz (Kälteresistenz) besteht. In Kulturpflanzen angewendet, könnte dieser Mechanismus empfindliche pflanzliche Organe besser vor plötzlichen Frosteinbrüchen schützen, die Anbaugebiete bislang kälteempfindlicher Arten ausweiten und zudem den Frischezustand landwirtschaftlicher Produkte verlängern (Lagerung bei tieferen Temperaturen). Unter den poikilothermen Tieren (Poikilothermie) finden sich neben Dauerstadien einiger Wirbelloser bei Gliederfüßern und Antarktisfischen physiologisch angepaßte Formen, die eine Frostresistenz zeigen. Dabei ähneln manche pflanzliche Schutzstoffe denen der Tiere: bei der Möhre gefundene Frostschutzproteine sind mit denen von Eismeer-Fischen vergleichbar. Unterscheidbar sind gefriersensitive Arten, die durch Bildung von Frostschutzmitteln wie Glycerin, Sorbit oder Glykoproteinen (Gefrierschutzproteine) einen Unterkühlungspunkt (supercooling point) unter –15 °C erreichen. Gefriertolerante Arten überstehen ein langsames extrazelluläres Einfrieren bei –6 ° bis –10 °C. Bei diesem durch Kondensationskeime in der Hämolymphe induzierten Frieren wird durch Wasseraustritt aus der Zelle die osmotische Konzentration (Osmose, osmotischer Druck) im Zellinnern erhöht und ein intrazelluläres Einfrieren verhindert. Abscisinsäure, Anabiose, Erfrieren, Erkältung, Frostschutzberegnung, Kryobiose, Psychrophyten, Temperaturanpassung, Überwinterung.

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