Wissenschaftler identifizieren einen molekularen Schalter, der Reben beim Überleben von Kälte hilft

Eine am Freitag in Horticulture Research veröffentlichte Studie berichtet, dass Forscher einen molekularen Signalweg identifiziert haben, der Reben hilft, Kälte zu überstehen – ein Befund, der künftige Züchtungsarbeit unterstützen könnte, da Weinberge mit immer instabileren Winter- und Frühlingstemperaturen konfrontiert sind.

Die von Wissenschaftlern der Northwest A&F University in Yangling, China, geleitete Arbeit konzentrierte sich auf Vitis pseudoreticulata, eine wilde Rebenart, die in der Stressresistenzforschung verwendet wird. Das Team fand heraus, dass eine kalziumabhängige Proteinkinase namens VpCDPK13 durch niedrige Temperaturen aktiviert wird und die Fähigkeit der Pflanze verbessert, Kälte zu tolerieren. Dies geschieht, indem sie mit einem anderen Protein, dem Transkriptionsfaktor VpCAMTA3, interagiert und ihn modifiziert; dadurch wird wiederum die Abwehrreaktion der Rebe verstärkt.

Kälte bleibt eine der wichtigsten Umweltgefahren für die Weinproduktion. Frostereignisse können Knospen schädigen, die Vitalität der Reben verringern und die Erträge über mehrere Jahrgänge hinweg mindern. Dieses Risiko ist für Erzeuger noch bedeutsamer geworden, da die Klimavariabilität stärkere Temperaturschwankungen mit sich bringt, darunter Wärmephasen, auf die plötzliche Fröste folgen.

Laut der Studie wirkt VpCDPK13 früh in der Kältereaktion der Pflanze. Seine Genaktivität stieg rasch an, als Blätter 39,2°F ausgesetzt wurden, und das Protein reicherte sich unter Kältebedingungen stärker im Zellkern an. Die Forscher sehen darin einen Hinweis darauf, dass die Kinase dazu beitragen könnte, durch niedrige Temperaturen ausgelöste Kalziumsignale in schützende Veränderungen innerhalb der Zelle zu übersetzen.

Um seine Rolle zu testen, erzeugte das Team Rebpflanzen, die VpCDPK13 überexprimierten, und verglich sie mit normalen Pflanzen sowie mit Pflanzen, bei denen das Gen stillgelegt worden war. Unter Kältebehandlung behielten Reben mit höherer VpCDPK13-Expression grünere Blätter, zeigten weniger Welken und wiesen eine bessere photosynthetische Leistung auf. Zudem hatten sie eine geringere Elektrolyt-Leckage und niedrigere Werte von Malondialdehyd, einem Marker für Membranschäden.

Dieselben Pflanzen akkumulierten weniger Wasserstoffperoxid und Superoxid, zwei reaktive Sauerstoffspezies, die unter Stress ansteigen und Zellen schädigen können, wenn sie nicht kontrolliert werden. Gleichzeitig zeigten sie eine höhere Peroxidaseaktivität, was auf ein stärkeres antioxidatives Abwehrsystem hindeutet. Wurde VpCDPK13 stillgelegt, kehrte sich das Muster um: Die Pflanzen wurden kälteempfindlicher, mit stärkeren Membranschäden, mehr oxidativem Stress und schwächerer photosynthetischer Effizienz.

Anschließend suchten die Forscher nach Proteinen, die mit VpCDPK13 interagieren, und identifizierten VpCAMTA3. Mehrere Tests bestätigten, dass die beiden Proteine physisch aneinander binden. Auch VpCAMTA3 selbst wurde in Blättern und Wurzeln durch Kälte induziert, und Pflanzen, bei denen es stillgelegt worden war, zeigten eine geringere Kältetoleranz, wiederum mit höheren oxidativen Schäden und schwächerer Photosystemleistung.

Die zentrale Erkenntnis der Arbeit ist, dass VpCDPK13 VpCAMTA3 phosphoryliert, also Phosphatgruppen an spezifische Stellen des Proteins anfügt. Laboruntersuchungen identifizierten drei Hauptstellen: Thr588, Ser834 und Ser 1049. Wurden diese Stellen so verändert, dass sie nicht mehr phosphoryliert werden konnten, verlor VpCAMTA3 unter Kältestress einen Großteil seiner Schutzwirkung. Wurden sie so verändert, dass sie eine Phosphorylierung nachahmten, schnitt das Protein besser ab als die unveränderte Version.

In transienten Expressionsversuchen an Rebenblättern zeigte die phosphomimetische Form von VpCAMTA3 die stärkste Kältetoleranz. Diese Blätter behielten höhere Fv/Fm-Werte, ein Standardmaß für die Effizienz von Photosystem II, und wiesen geringere Ionenleckage, niedrigere Malondialdehyd-Gehalte und eine geringere Anreicherung reaktiver Sauerstoffspezies auf als Blätter, die entweder das normale Protein oder die phospho-dead-Version exprimierten.

Die Autoren sagen, dass dies ein VpCDPK13-VpCAMTA3-Signalmotiv etabliert, das die Anpassung an Kältestress fördert, indem es hilft, die Membranintegrität zu erhalten, die photosynthetische Funktion zu bewahren und das Abfangen reaktiver Sauerstoffspezies zu verbessern.

Die Arbeit ergänzt eine wachsende Zahl von Studien darüber, wie mehrjährige Obstkulturen abiotischen Stress auf molekularer Ebene bewältigen. Bei Reben wird die Kälteresistenz seit Langem über Signalwege untersucht, die ABA-Signalisierung, CBF-Gene und Zuckeranreicherung umfassen. Diese Studie verweist auf eine andere Regulationsebene, die auf Kalziumsignalisierung und Proteinphosphorylierung beruht.

Sie legt zudem nahe, dass CAMTA3-Proteine je nach Art unterschiedlich reguliert werden können. Die Arbeit weist darauf hin, dass bei Arabidopsis die Phosphorylierung von CAMTA3 durch andere Kinasen mit einer geringeren Stabilität des Proteins verbunden ist. In diesem Rebsystem hingegen scheint die Phosphorylierung durch VpCDPK13 die Funktion von VpCAMTA3 während der Kälteeinwirkung zu verstärken.

Dieser Unterschied könnte für Züchtungsprogramme von Bedeutung sein. Zwar präsentiert die Studie keine kommerzielle Anwendung und keinen Feldversuch, sie identifiziert jedoch zwei molekulare Zielstrukturen, die bei der Entwicklung von Rebsorten mit verbesserter Toleranz gegenüber Frostbedingungen nützlich sein könnten. Solche Eigenschaften sind zunehmend nicht nur in traditionell kalten Regionen relevant, sondern auch in Gebieten, in denen unbeständiges Wetter Reben nach frühem Austrieb schädlichem Frost aussetzen kann.

Die Autoren erklärten, ihre Ergebnisse lieferten neue Einblicke in die Kältestress-Signalisierung in der Rebe und könnten Ansatzpunkte zur Verbesserung der Resilienz bei mehrjährigen Obstkulturen bieten. Die Studie wurde durch das Key R&D Program der Autonomen Region Ningxia Hui unterstützt.