Natürliche Frostschutzmechanismen bei Obstgehölzen – von Supercooling bis Anti-Freeze Proteinen

Abstract

ZusammenfassungAus Anlass des starken Spätfrostes am 20. April 2017 in Europa wurden im Rahmen einer Masterarbeit der Prozess des Erfrierens und die Mechanismen der Frosttoleranz von Obstgehölzen untersucht. Bakterien, Staub, Schmutz, kleine Sandkörner u. a. auf dem Blatt können als Eiskeimbildner fungieren. Die an diesen Eiskeimen gebildeten Eiskristalle können in die Pflanze bzw. Zelle eindringen und als intra-zelluläre Eiskristalle das Erfrieren verursachen.Kleine, unregelmäßige intra-zelluläre Eiskristalle sind für die Zelle vergleichsweise harmlos, solange sie schmelzen, bevor sie die Zellwand beschädigen. Schnelle Gefriergeschwindigkeit führt dabei zu einer hohen Anzahl kleiner, langsames Gefrieren zu einer geringen Anzahl großer Eiskristalle; schnelles Gefrieren hindert das Wasser daran, zu bevorzugten extra-zellulären Stellen zu diffundieren. Dies führt zur intra-zellulären Eiskristallbildung, wodurch die Pflanzenzellen mechanisch belastet und geschädigt werden können, so dass intra-zelluläre Eisbildung zum Erfrieren führt. Folgende natürliche Frosttoleranz-Mechanismen, die diese intrazellulare Eiskristallbildung z. T. verhindern können, wurden für (Obst‑)Gehölze ermittelt1) Reduzierung des Wassergehaltes in der Zelle einschl. der Reduzierung des „freien Wassers“ und Bindung von freiem Wasser an Dehydrine (Proteine) über Winter2.) Anreicherung von osmotisch wirksamen Substanzen wie Zucker (Glukose, Fruktose, Saccharose, Sorbitol), Mineralstoffen wie K und Mg und Aminosäuren wie z. B. Prolin;3.) Anti-Freeze Proteine (AFP) haften an den Oberflächen der Eiskristalle; ihre Struktur und Wachstum beeinflussen und verhindern ihr Eindringen in die Pflanzenzelle;4) ‘supercooling‘, d. h. einem Prozess, bei dem die Eiskeimbildung und die intrazelluläre Eiskristallbildung (Frostschäden) vermieden wird;5) Strukturelle Eiskristallbarriere – keine Verbindung zum (wasserführenden) Xylem6) Nachblüte bzw. zeitliche Verzögerung zwischen Blüten am ein- und zweijährigen HolzDie Entstehung der Eiskristalle an den Eiskeimen hängt ab von der Verfügbarkeit von Anti-Freeze Proteinen (AFP) und Eiskeim fördernden Proteinen, die an der Membran von Eiskeim fördernden Bakterien wie Pseudomonas syringae und Erwinia amylovora (Feuerbrand) Bakterien verankert sind. Ohne heterogene Eiskeime besitzt Wasser die Fähigkeit zum ‘supercooling‘. Im Temperaturbereich von 0 bis ca. −5 °C wird ‘supercooling‘ vorwiegend durch das Vorhandensein von Eiskeim fördernden Bakterien beschränkt; sie gelten daher als verantwortlich für die Eiskristallbildung und damit für die Gewebeschädigung.Voraussetzung für die effektive Wirkung dieser natürlichen pflanzenphysiologischen Schutzmechanismen im Winter ist ein vorhergehendes langsames Abhärten (Kälte-Akklimation) im Herbst. Besonderes Interesse gilt ihrem Erhalt bei steigenden Temperaturen im Frühling während der Enthärtung (De-Akklimation), wobei der Verlust an Frost- bzw. Kältetoleranz mit dem Aufbrechen der Knospenschuppen der sich entwickelnden Blüten einhergeht. Insgesamt verfügen die Pflanzen/-zellen über eine Reihe von Anpassungsmechanismen an Frosttemperaturen, die bisher zu wenig genutzt wurden.