Alles DRII-ed up: Wie erholen sich Pflanzen nach einer Dürre?

August 29, 2025

Alles DRII-ed up: Wie erholen sich Pflanzen nach einer Dürre?

Forscher des Salk Institute stellen fest, dass Pflanzen ihr Immunsystem während der Erholung von einer Dürre schnell stärken. Dies zeigt mögliche genetische Strategien für die Entwicklung dürreresistenterer Nutzpflanzen auf.

August 29, 2025

LA JOLLA—Die oberste Priorität einer Anlage ist wachsen– eine Leistung, die Sonnenlicht, Nährstoffe und Wasser erfordert. Fehlt nur einer dieser drei Faktoren, beispielsweise Wasser während einer Dürre, kommt das Wachstum zum Stillstand. Man könnte meinen, die Pflanze würde nach der Dürre sofort wieder mit dem Wachstum beginnen. Doch ihre Prioritäten verschieben sich.

Pflanzenbiologen von Salk verwendeten fortschrittliche Einzelzell- und räumliche Transkriptomik-Techniken, um genau zu untersuchen, wie eine kleine, blühende Pflanze namens Arabidopsis thaliana erholt sich nach der Dürre. Sie entdeckten, dass Immunität wurde in der Nachdürreperiode zur obersten Priorität der Pflanze, da die Forscher beobachteten, wie immunstärkende Gene in den Blättern der Ackerschmalwand rasch aufleuchteten. Diese verstärkte Immunreaktion, die sogenannte „Drought Recovery-Induced Immunity“ (DRII), trat auch bei wilden und kultivierten Tomaten auf. Dies deutet darauf hin, dass die Priorisierung der Immunität evolutionär erhalten geblieben ist und wahrscheinlich auch bei anderen wichtigen Nutzpflanzen vorkommt.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht Legen Sie am 29. August 2025 den Grundstein für den Anbau widerstandsfähigerer Nutzpflanzen und den Schutz der weltweiten Nahrungsmittelversorgung in den kommenden Jahren.

„Dürre stellt eine große Herausforderung für Pflanzen dar, aber weniger bekannt ist, wie sie sich erholen, sobald das Wasser zurückkehrt“, sagt der leitende Autor Josef Ecker, Professor, Vorsitzender des Salk International Council für Genetik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Wir haben festgestellt, dass Arabidopsis nicht das Wachstum beschleunigt, um die verlorene Zeit auszugleichen, sondern schnell eine koordinierte Immunantwort aktiviert. Diese Entdeckung unterstreicht die Erholung als kritisches Zeitfenster der genetischen Neuprogrammierung und weist auf neue Strategien zur Züchtung von Nutzpflanzen hin, die sich nach Umweltstress effektiver erholen können.“

Durstige Pflanze, trockener Boden

Arabidopsis dient Pflanzenbiologen seit einem halben Jahrhundert als wichtiges Labormodell. Die Pflanze lässt sich schnell und einfach züchten und hat im Vergleich zu anderen Pflanzen ein relativ einfaches Genom. Entscheidend ist jedoch, dass viele der einzelnen Gene im Arabidopsis-Genom in vielen Pflanzenarten vorkommen – darunter auch in landwirtschaftlich relevanten Nutzpflanzen wie Tomaten, Weizen und Reis.

Arabidopsis hat mit jeder Pflanze einen gemeinsamen Wasserbedarf. Die kleine Pflanze saugt Wasser durch mikroskopisch kleine Poren auf ihrer „Haut“ auf – doch diese kleinen Poren können auch eine Gefahr für die Pflanze darstellen, da sie ihr empfindliches Inneres direkt der Außenwelt aussetzen. Die Pflanze muss daher ein Gleichgewicht zwischen der Wasseraufnahme und der Abwehr schädlicher Umwelteinflüsse wie Krankheitserreger finden.

Dieses Gleichgewicht wird ausgeglichen Mehr Eine Herausforderung während der Erholung nach einer Dürre. Ohne Wasser verschließt die Pflanze ihre Poren und gerät in einen Stresszustand, der ihr Wachstum stoppt und ihre Vorräte rationiert. Sobald das Wasser zurückkehrt, öffnen sich die Poren schnell wieder, um den Durst der Pflanze zu stillen, und setzen sie plötzlich erneut den Gefahren der Außenwelt aus. Wie schützen sich Pflanzen also vor diesem plötzlichen Angriff während der Erholung nach einer Dürre?

„Wir wissen viel darüber, was in Pflanzen während einer Dürre passiert, aber so gut wie nichts darüber, was während dieser kritischen Erholungsphase passiert“, sagt Erstautorin Natanella Illouz-Eliaz, Postdoktorandin in Eckers Labor. „Diese Erholungsphase ist genetisch unglaublich aktiv und komplex, da wir bereits Prozesse entdeckt haben, von denen wir nicht einmal wussten – oder sogar annahmen –, dass sie Teil der Erholung sind. Jetzt wissen wir definitiv, dass es sich lohnt, die Erholung in Zukunft weiter zu untersuchen.“

Eine schnelle, räumlich bewusste Einzelzellstudie

Die Forscher nahmen Arabidopsis-Pflanzen, die in einem Dürrezustand gelebt hatten, und gaben den ausgetrockneten Pflanzen erneut Wasser. Sie untersuchten die Blätter der Pflanzen auf Veränderungen der Genexpression, beginnend nach 15 Minuten und steigerten sich schrittweise bis zu 260 Minuten. Diese schnelle Überwachung zeichnet die Studie aus, da Pflanzenbiologen oft keine Daten so kurz nach der Rehydratation erfassen.

„Das wirklich Unglaubliche daran“, fügt Illouz-Eliaz hinzu, „ist, dass wir diese Entdeckung völlig verpasst hätten, wenn wir uns nicht entschieden hätten, zu diesen frühen Zeitpunkten Daten zu erfassen.“

Während alle Zellen in einem Arabidopsis-Blatt den gleichen genetischen Code haben, Ausdruck Die Expression jedes einzelnen Gens in diesem Code variiert von Zelle zu Zelle. Das Muster der von jeder einzelnen Zelle exprimierten Gene bestimmt deren Identität und Funktion. Um Genexpressionsmuster, die sich zwischen mikroskopischen Zellen unterscheiden, effektiv zu erfassen, sind hochentwickelte Gensequenzierungstechnologien wie die Einzelzell- und räumliche Transkriptomik erforderlich.

Bei älteren Methoden mussten Wissenschaftler ein Blatt zermahlen und anhand dessen allgemeine Expressionsmuster messen. Die Einzelzell-Transkriptomik ermöglicht es Wissenschaftlern, die Genexpression in einem zellulären Kontext zu erfassen, was wiederum die Zelldynamik in Pflanzengeweben genauer abbildet. Neben dieser beeindruckenden Einzelzellpräzision analysiert die räumliche Transkriptomik diese Einzelzellen im physischen Kontext der intakten Pflanze. Mit dieser Methode können Wissenschaftler das Blatt (oder einen Teil davon) als Ganzes verarbeiten, um zu sehen, wie sich die Expression zwischen benachbarten Zellen während einer Dürre oder Erholung unterscheidet.

Durch Dürreerholung hervorgerufene Immunität (DRII)

Nur 15 Minuten nach der erneuten Bewässerung beobachtete das Team, wie ruhende Gene zum Leben erwachten. Die Expressionsmuster veränderten sich deutlich in den vielen Blattzellen und aktivierten ein Gen nach dem anderen, bis Tausende neuer Gene aktiv waren. Diese vielen Gene lösten eine Immunreaktion aus, die die Forscher „Drought Recovery-Induced Immunity“ (DRII) nennen. In der anfälligen Rehydrationsphase kam DRII Arabidopsis zu Hilfe und schützte die Pflanze vor Krankheitserregern.

Nachdem das Team DRII bei Arabidopsis beobachtet hatte, war es neugierig, ob auch wilde und gezüchtete Tomatenpflanzen DRII aufweisen. Beide Tomatenarten erkrankten tatsächlich an DRII, was, wie bei Arabidopsis, ihre Resistenz gegen Krankheitserreger erhöhte. Diese Ergebnisse bei Tomaten deuten auch darauf hin, dass die Immunreaktion bei vielen anderen Pflanzen- und Nutzpflanzenarten auftritt.

Es gibt noch viel zu erforschen über diese schnelle Immunreaktion. Zunächst einmal beginnt der Rehydratationsprozess in den Wurzeln. Wie gelangt das Signal also so schnell von den Wurzeln zum Blatt und bewirkt innerhalb von nur 15 Minuten Veränderungen der Genexpression? Und was ist dieses Signal?

Die Forscher glauben außerdem, dass die Ergebnisse dazu beitragen können, die Sichtweise der Forscher auf Pflanzenstress zu verändern. Vielleicht konzentrieren sich Pflanzen nicht nur auf Überleben und Wachstum, sondern bereiten sich vielmehr auf das vor, was nach der Rückkehr des Wassers kommt. Und vielleicht hängt die Abwägung zwischen Überleben und Langlebigkeit von einem System ab, das die Schwere des Stresses erkennt.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Erholung von Dürre kein passiver Prozess ist, sondern eine hochdynamische Neuprogrammierung des pflanzlichen Immunsystems“, sagt Ecker. „Indem wir die frühen genetischen Ereignisse innerhalb weniger Minuten nach der Rehydratation identifizieren, können wir die molekularen Signale entschlüsseln, die die Stresserholung koordinieren. Wir können erforschen, wie diese Mechanismen genutzt werden können, um die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen zu verbessern.“

Weitere Autoren sind Jingting Yu, Joseph Swift, Kathryn Lande, Bruce Jow, Lia Partida-Garcia, Travis Lee, Rosa Gomez Castanon, William Owens, Chynna Bowman, Emma Osgood, Joseph Nery und Tatsuya Nobori von Salk sowie Za Khai Tuang, Adi Yaaran, Yotam Zait und Saul Burdman von der Hebräischen Universität Jerusalem.

Die Arbeit wurde vom United States–Israel Binational Agricultural Research and Development Fund (FI-601-2020), der George E. Hewitt Foundation for Medical Research, dem Weizmann Institute of Science, dem Howard Hughes Medical Institute, den National Institutes of Health (K99GM154136, NCI CSSG P30 CA014195, NIA P30 AG068635), der Henry L. Guenther Foundation und der Waitt Foundation unterstützt.

DOI: 10.1038/s41467-025-63467-2