Thermisches Priming verbessert Hitzetoleranz und Ertrag von Tomaten bei wiederholtem Hitzestress
Forschungen am Leibniz-Institut für Gartenbauwissenschaften (IGZ) belegen, dass Tomatenpflanzen durch eine moderate Hitzebehandlung ihre Reaktion auf nachfolgende Hitzeperioden verbessern können. Unter kontrollierten Labor- sowie Feldbedingungen wurde nachgewiesen, dass ein initialer, milder Hitzestress die Widerstandsfähigkeit gegenüber erneutem starken Hitzestress erhöht und gleichzeitig den Fruchtertrag signifikant steigert. Die in der Fachzeitschrift The Plant Journal veröffentlichte Studie identifizierte zudem zentrale molekulare Regulatoren dieses thermischen Stressgedächtnisses.
Auswirkungen von Hitze auf Tomaten und das Prinzip des thermischen Primings
Hohe Temperaturen stellen eine erhebliche Belastung für das Wachstum und die Ertragsleistung von Kulturpflanzen wie Tomaten dar. Das Forschungsteam unter Leitung von Dr. Justyna Olas zeigte, dass Tomatenpflanzen nach einer ersten moderaten Hitzebelastung eine verbesserte Anpassung an einen späteren intensiven Hitzestress aufweisen. Das thermische Priming bewirkt eine Umprogrammierung der Pflanzen, die es ihnen ermöglicht, das Stressereignis über mehrere Tage zu speichern und bei erneutem Stress schneller und effizienter zu reagieren.
Experimentelle Untersuchungen unter Labor- und Feldbedingungen
- In kontrollierten Versuchen mit der Tomatensorte „Moneymaker“ wurden Pflanzen zunächst einem moderaten Hitzestress ausgesetzt, gefolgt von einem starken Hitzestress nach einigen Tagen.
- Pflanzen ohne vorherige Hitzebehandlung zeigten erhebliche Schäden, während vorgeprimte Pflanzen besser mit dem Stress umgehen konnten.
- Der Schutz durch das thermische Gedächtnis hielt länger an als bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und war nach zehn Tagen noch messbar, nahm jedoch nach 20 Tagen ab.
- Unter Laborbedingungen produzierten thermisch geprimte Pflanzen nach erneutem Hitzestress durchschnittlich 41 % mehr Früchte und wiesen eine höhere Gesamtfruchtmasse auf.
- Qualitätsparameter wie β-Carotin und Lutein zeigten keine signifikanten Veränderungen, was auf eine unveränderte Fruchtqualität hinweist.
- Im Feldversuch 2025 in Großbeeren wurden bei vorgeprimten Tomatenpflanzen 53 % mehr Früchte und eine gesteigerte Fruchtmasse im Vergleich zu unbehandelten Kontrollpflanzen festgestellt.
- Da Umweltfaktoren wie Temperatur, Licht und Luftfeuchtigkeit im Feld variabel waren und der Versuch nur einmal durchgeführt wurde, sind weitere Studien zur Übertragbarkeit auf unterschiedliche Praxisbedingungen erforderlich.
Molekulare Mechanismen des thermischen Stressgedächtnisses
Die Analyse der Genexpression im Sprossapikalmeristem mittels RNA-Sequenzierung identifizierte 267 Gene, die nach initialem und erneutem Hitzestress besonders stark aktiviert wurden. Zu diesen sogenannten Typ-II-Genen zählen unter anderem SlBAG6 sowie der Transkriptionsfaktor SlHSFA2, der eine zentrale Rolle bei der Regulation des thermischen Gedächtnisses einnimmt.
In Tomatenpflanzen mit CRISPR-bedingtem Ausfall von SlHSFA2 ging die Fähigkeit zum thermischen Priming deutlich zurück, ebenso war die Regeneration des Sprossapikalmeristems nach erneutem Hitzestress beeinträchtigt. Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass SlHSFA2 die Aktivierung von SlBAG6 steuert und mit ETHYLENE RESPONSE FACTORs (SlERFs) interagiert, die gemeinsam die Genaktivierung verstärken. Eine temporäre Ausschaltung einzelner SlERFs führte zu einer verminderten Hitzetoleranz.
Diese Ergebnisse deuten auf ein Regulationsnetzwerk hin, an dem SlHSFA2 und SlERFs beteiligt sind und das das transkriptionelle thermische Gedächtnis der Tomate steuert.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Die Studie belegt, dass das thermische Stressgedächtnis auch bei einer bedeutenden Gartenbaukultur wie der Tomate eine adaptive Funktion besitzt. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten Ansatzpunkte für die weitere Erforschung und potenzielle Nutzung dieses Mechanismus zur Entwicklung hitzeresistenter Tomatensorten. Die genaue Verbindung zwischen molekularen Stressgedächtnisreaktionen und der Steigerung der Fruchtzahl bleibt jedoch noch zu klären.
Originalpublikation
Debnath, P. et al. (2026): Thermal priming enhances yield after recurrent heat stress and involves SlHSFA2-SlERFs in the regulation of transcriptional thermal memory in tomato. The Plant Journal. DOI: 10.1111/tpj.71162
Förderung und Kontakt
- Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Förderkennzeichen OL 767/1-1.
- Leitung der Forschungsgruppe „Stress und Entwicklungsintegration“: Dr. Justyna Olas-Apelt, E-Mail: olas-apelt@igzev.de, Tel.: +49 (0) 33701 78 244.
- Pressekontakt: Julia Vogt, E-Mail: presse@igzev.de, Tel.: +49 (0) 33 701 78 163.
Über das Leibniz-Institut für Gartenbauwissenschaften (IGZ)
Das IGZ in Großbeeren ist ein Forschungsinstitut der Leibniz-Gemeinschaft, das sich mit Grundlagen- und Anwendungsforschung im Gartenbau beschäftigt. Ziel ist es, wissenschaftlich fundierte Lösungen für globale Herausforderungen wie Biodiversitätserhalt, Klimawandel und Ernährungsfragen zu entwickeln. Das Institut wird vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg sowie vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat finanziert.
