Cristina Schmale Rodrigues

• Als einzige Zuckerquelle in gemäßigten Klimazonen ist die Zuckerrübe (Beta vulgaris) eine Kulturpflanze von beachtlicher wirtschaftlicher Bedeutung. Während der vegetativen Wachstumsphase können ihre Pfahlwurzeln bis zu 20 % ihres Frischgewichts als Saccharose speichern. Eine Verlängerung der Speicherphase könnte den Ertrag erheblich steigern, doch die Frostempfindlichkeit des Pfahlwurzelgewebes verhindert einen zweijährigen, überwinternden Anbau. Um die Kältereaktion der Zuckerrübe zu verstehen und Schlüsselfaktoren für die Entwicklung von Frosttoleranz zu identifizieren, wurden temperaturabhängige Proteomik-, Transkriptomik , Photosynthese- und Stoffwechselanalysen an verschiedenen Genotypen durchgeführt. Unter Kältebedingungen akkumulierte Zucker verstärkt im Spross, obwohl die photosynthetische Kapazität nahezu vollständig reduziert wurde. Gleichzeitig wurde ein verstärkter Export von Zucker aus der Pfahlwurzel beobachtet. Dies könnte durch die Herabregulierung des pfahlwurzelspezifischen vakuolären Saccharose-Importers BvTST2;1 bei gleichzeitiger Hochregulierung des vakuolären Exporters BvSUT4 erklärt werden, was eine gezielte Remobilisierung zuvor gespeicherter Zucker zur Folge hat. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unter Kälteeinfluss eine Umkehr der Source-Sink-Identität erfolgt. Mittels radioaktiv markierter Saccharose und fluoreszierender Analoga konnte tatsächlich eine bislang unbekannte Umkehr des Phloem-Massenstroms nachgewiesen werden. Interessanterweise könnte dieser Mechanismus nicht nur für die Kälteanpassung, sondern auch für die Vernalisation (kälteinduzierte Blüte) und damit für die Blühfähigkeit von Bedeutung sein. Zur gezielten Modulierung der intrazellulären Zuckerkompartimentierung im Hinblick auf Frosttoleranz und Blühverhalten wurden transgene Linien von Arabidopsis und Zuckerrübe mit unterschiedlichen kältebedingten Zuckerflüssen untersucht. Eine erhöhte Expression des vakuolären Zuckerrüben-Exporters BvSUT4 in Arabidopsis führte zu einer verstärkten Umverlagerung von Baustoffpools in Richtung der Reproduktion, jedoch auch zu einer erhöhten Suszeptibilität gegenüber Kälte. Umgekehrt zeigte eine verstärkte Expression vakuolärer Importer, insbesondere AtTST1 in der Zuckerrübe, eine vorteilhafte Wirkung auf die Kälteakklimatisierung, da Zucker effizient in der Pfahlwurzel gespeichert wurden. Die Expression von BvIMP2 in Arabidopsis hingegen aktivierte den Langstreckentransport und kanalisiert gespeicherte Zucker in Richtung des Fortpflanzungsapparats. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass BvIMP2 primär an der Feinjustierung der globalen Zuckerallokation beteiligt ist, während AtTST1 die subzelluläre Kompartimentierung reguliert. Die unterschiedlichen Reaktionen der vakuolären Importer-exprimierenden Pflanzen auf Kälte könnten durch zusätzliche regulatorische Mechanismen beeinflusst sein, beispielsweise durch die Aktivierung von Signalproteinen infolge eines veränderten zytosolischen Mono- zu Disaccharid-Verhältnisses. Diese Mechanismen könnten vermitteln, ob eine Pflanze in Reaktion auf Kältestress bevorzugt die Erhaltung einzelner Organe, die Stabilität der Gesamtpflanze oder – unter extremen Bedingungen – die verstärkte Investition in die generative Phase, einschließlich der Blütenbildung, priorisiert Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass Kälte einen Identitätswechsel zwischen Source und Sink induziert, der zur Vernalisation und Blühfähigkeit beiträgt. Mit dem Verständnis über diesen Prozess konnten Schlüsselfaktoren identifiziert werden, die eine gezielte Modulation dieses Prozesses ermöglichen, mit dem Ziel, den Identitätswechsel zu unterbinden und dadurch den Ertrag zu steigern.