Bei großer Hitze schalten Pflanzen in den Überlebensmodus: Die Spaltöffnungen schließen sich, um den Wasserverlust zu reduzieren. Die Photosynthese wird gedrosselt, damit nicht so viele gefährliche Sauerstoffspezies entstehen – und binnen Minuten werden Hitzeschock-Gene abgelesen, damit etwa die empfindlichen Photosynthese-Komplexe geschützt werden. 

Doch wer informiert den Zellkern über den Ernst der Lage? Ein Forschungsteam vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat neue Hinweise auf einen bislang wenig verstandenen intrazellulären Kommunikationsweg entdeckt, der Pflanzen hilft, solche Gefahren zu überleben.

Die Stromuli der Chlorplasten

Pflanzliche Zellen besitzen etwas, was tierische nicht haben: Plastiden. Zu diesen Organellen gehören die grünen Chloroplasten mit dem Photosynthesepigment Chlorophyll ebenso wie farblose Leukoplasten. Wie die Arbeitsgruppe vom KIT zeigen konnte, können Plastiden dem Zellkern quasi »mit dem Finger« zeigen, wie es um sie bestellt ist.

Schon im 19. Jahrhundert beobachtete der Berliner Pflanzenphysiologe Gottlieb Haberlandt, dass die grünen, normalerweise linsenförmigen Chloroplasten manchmal plötzlich lange, röhrenförmige Finger bilden. Ihr Zweck blieb indes rätselhaft. Vielleicht glaubte man, unter dem Mikroskop nur eingetrocknete Chloroplasten zu erblicken. Jedenfalls geriet das Phänomen in Vergessenheit.

Ab den 1990er-Jahren, als die Mikroskopiertechniken sich verbesserten, ließen sich die seltsamen Strukturen jedoch nicht mehr als Artefakte abtun. Die Pflanzenphysiologin Maureen Hanson nannte die mit Plasma (Stroma) gefüllten Ausstülpungen im Jahr 1999 »Stromuli«. Doch wozu sie genau taugten, wusste man immer noch nicht.

Mikrotubuli als Leitstruktur

Das Team vom KIT verfolgte die Bildung der nur knapp ein Mikrometer dünnen Röhren detailliert mit verschiedenen Fluoreszenzmarkern, nachdem sie die Zellen mit dem Stresshormon Jasmonat behandelt hatten. Dabei beobachtete es, dass die Finger bis zum Zellkern reichen. Zudem bewiesen die Forschenden, dass sich die Stromuli an den noch viel zarteren Mikrotubuli orientieren, deren Durchmesser nur 25 Nanometer beträgt. Am Zellkern angekommen, so die Hypothese, übermitteln die Ausläufer der Plastiden der Kommandozentrale direkt Informationen darüber, welche Proteine gebraucht werden.

Die eigentlichen Experimente fanden zwar an chlorophyllfreien Tabak-Zellkulturen statt, also an farblosen Leukoplasten. Doch die Ergebnisse lassen sich vermutlich auf Chloroplasten übertragen. Die Klimakrise macht die Entdeckung besonders interessant: »Wir konnten zeigen, dass sich dieser Alarmmechanismus gezielt beeinflussen lässt. Und wir haben molekulare Faktoren identifiziert, die die Bildung der ›Finger‹ beschleunigen und effizienter machen können«, sagt Peter Nick vom Botanischen Institut des KIT. Manche Wildpflanzen können ausgesprochen gut mit Stress umgehen – womöglich ist ihr Stromuli-System besonders leistungsstark. Könnte man die Eigenschaften auf Nutzpflanzen übertragen, würde das diese vielleicht besser gegen Hitze und andere Widrigkeiten wappnen.