Die Gemeine Fichte (Picea abies L. [Karst.]) ist die häufigste Baumart in Deutschland.
Aufgrund ihrer langen Generationszeit wurde davon ausgegangen, dass sie sich nicht schnell genug an sich ändernde Klimabedingungen anpassen kann. Neuere Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass Nachkommen von Fichten, die in südlicher gelegenen Samenplantagen oder im Gewächshaus gekreuzt wurden, im Unterschied zu ihren Vollgeschwistern aus dem nördlicheren Ursprungsgebiet bzw. dem Freiland bei gleichen Anzuchtsbedigungen nicht nur einen späteren Knospenansatz im Herbst und einen späteren Knospenaustrieb im Frühjahr zeigten, sondern auch eine größere Empfindlichkeit bei Frost. Dieser Hinweis auf epigenetische Effekte, die eine bessere Anpassung ermöglichen, war der Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Temperatur während der Kreuzung der Eltern auf die Stressresistenz der Nachkommen zu untersuchen. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ökophysiologische, biochemische und molekularbiologische Methoden an Arabidopsis thaliana und Fichte eingesetzt.
Die Untersuchungen an der Fichte wurden jeweils an Vollgeschwisterpaaren, deren Eltern sowohl im Gewächshaus (warm) als auch im Freiland (kalt) gekreuzt worden waren, durchgeführt. Nachkommen der gleichen Eltern, aus der warmen oder kalten Kreuzungsumgebung, wurden Froststress bis –25 °C ausgesetzt und ihre Stressreaktion anhand von Messungen der Chlorophyllfluoreszenz und Elektrolytleitfähigkeit untersucht.
Dabei konnte bei einem Vollgeschwisterpaar bestätigt werden, dass die Nachkommen aus der warmen Kreuzungsumgebung frostempfindlicher waren als die Nachkommen aus der kalten Kreuzungsumgebung. Ein weiteres Geschwisterpaar zeigte keine signifikanten Unterschiede.
Da Frost- und Trockenstress auf Zellebene ähnliche Reaktionen auslösen, wurden in weiteren Versuchen drei Geschwisterpaare der Fichte in ihrer Reaktion auf Trockenstress getestet. Ein Geschwisterpaar zeigte, dass die Nachkommen aus der kalten Kreuzungsumgebung ihre photosynthetische Aktivität dem Stress besser anpassten als die Nachkommen aus der warmen Kreuzungsumgebung. Bei den beiden anderen Geschwisterpaaren wurde dies nicht beobachtet. Jedoch zeigten biochemische Analysen, dass bei den trockengestressten Nachkommen aus der kalten Kreuzungsumgebung eine neue Proteindoppelbande bereits nach 14 Tagen erschien, während sie bei den gestressten
Vollgeschwisterpaare aus unterschiedlichen Kreuzungsumgebungen wurden zu Herkünften zusammengefasst und miteinander verglichen. Es stellte sich heraus, dass die Herkunft, die unempfindlichere gegenüber Trockenheit war. Eine
t. Mutterpflanzen wurden in Klimakammern bei 25 °C bzw. 15 °C mit sich
ebung. In ihrer Reaktion auf Kältestress deutet sich anhand der weniger Frostschäden zeigte, auch die
Schutzfunktion könnte dabei die höhere Aktivität der Superoxiddismutase in den Pflanzen der resistenteren Herkunft im Vergleich zur empfindlicheren Herkunft haben.
Da die Stressreaktion der Fichte auf Proteinebene bisher kaum untersucht wurde, wurde mit Hilfe der zweidimensionalen Elektrophorese der Einfluss beginnender Trockenheit auf das Proteinmuster untersucht. Obwohl noch keiner der ökophysiologischen Parameter signifikante Unterschiede zwischen gut mit Wasser versorgten und nicht gegossenen Fichten anzeigte, konnten mittels LC-MS/MS schon Veränderungen von Proteinen des sauerstoffentwickelnden Komplexes und der Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase/Oxygenase nachgewiesen werden. Mittels zweidimensionaler Elektrophorese konnte bei einem Vollgeschwisterpaar ebenfalls gezeigt werden, dass sich unterschiedliche Kreuzungsumgebungen der Eltern in Unterschieden in der Proteinzusammensetzung äußerten.
Parallel zur Fichte wurden ähnliche Untersuchungen mit Arabidopsis thaliana (Col-0) durchgeführ
selbst gekreuzt. Untersuchungen der Samen beider Kreuzungsumgebungen ergaben, dass der Samen aus der warmen Kreuzungsumgebung schwerer war, aber über niedrigere Kohlenhydrat- und Lipidkonzentrationen verfügte als der Samen aus der kalten Kreuzungsumgebung. Dagegen waren Protein- und Stickstoffkonzentration in dem Samen aus der warmen Kreuzungsumgebung höher. Das bessere Nährstoffverhältnis und ein größerer Embryo waren wahrscheinlich die Ursache für die schnellere Keimung und das etwas schnelleren Wachstum der Nachkommen aus der 25 °C warmen Kreuzungsumgebung im Vergleich zu den Nachkommen aus der 15 °C kalten Kreuzungsumg
Chlorophyllfluoreszenzdaten eine bessere Anpassung der Nachkommen aus der kalten Kreuzungsumgebung an. Es wurden keine markanten Veränderungen des Blattproteom gefunden. Molekularbiologische Untersuchungen mit Hilfe der quantitativen Real-Time-PCR zeigten für die Transkriptmengen von vier ausgewählten Genen folgende Unterschiede: Unter Kontrollbedingungen war bei den Nachkommen aus der warmen Kreuzungsumgebung ein pseudo response regulator 9 Gen (At2g46790) stärker transkribiert als bei den Nachkommen aus der kalten Kreuzungsumgebung. Unter Kältestress war eine Flavanon-3-Hydroxylase (At3g51240) in den Nachkommen aus der
warmen Kreuzungsumgebung relativ zur Kontrolle signifikant heraufreguliert, jedoch nicht in den Nachkommen der kalten Kreuzungsumgebung.
In der Gesamtbewertung der Ergebnisse lässt sich festhalten, dass die in der Literatur aufgezeigten Unterschiede von Fichten unterschiedlicher Kreuzungsumgebungen im Hinblick auf deren Stressreaktion hier bei einigen Vollgeschwisterpaaren beobachtet
. Hier konnten die Einflüsse der Umgebungstemperatur hauptsächlich am wurden. Es konnte erstmals bei Fichte bestätigt werden, dass frosttolerante Herkünfte auch trockentoleranter waren. Weniger klar waren die Unterschiede innerhalb einer Herkunft, wenn die gleichen Eltern bei unterschiedlichen Temperaturen gekreuzt wurden.
Unterschiede in der aktuellen Quantenausbeute oder der Elektrolytleitfähigkeit wiesen auf ein verändertes Verhalten der Nachkommen aus den verschiedenen Kreuzungsumgebungen hin. Jedoch hing dieses Verhalten von den Eltern der Vollgeschwisterpaare und deren Reaktion auf die Umwelt ab. Das veränderte Verhalten konnte bisher nicht an der Veränderung einzelner Proteine oder Enzyme festgemacht werden. Arabidopsis thaliana wurde als leicht handhabbare Modellpflanze zur Hilfe genommen
Nährstoffgehalt des Samens ausgemacht werden. Expressionsanalysen brachten erste Hinweise, dass in den Nachkommen aus unterschiedlichen Kreuzungsumgebungen Gene unterschiedlich stark transkribiert werden. Es sind aber zusätzliche Experimente und Analysen nötig, um diese Befunde zu klären und in ihrer Bedeutung für die Stressanpassung zu analysieren.