Tomaten mit Hitzegedächtnis trugen nach Hitzestress mehr Früchte

Tomatenpflanzen können sich auf wiederkehrende Hitze vorbereiten. Erlebten junge Pflanzen erst mäßige und einige Tage später starke Hitze, überstanden sie die zweite Belastung besser und trugen danach mehr Früchte als Pflanzen ganz ohne Hitzestress, in der Klimakammer im Mittel 41 Prozent mehr. Das haben Forschende des Leibniz-Instituts für Gartenbauwissenschaften (IGZ) in Großbeeren unter kontrollierten Bedingungen und im Freiland gezeigt. Die Arbeit erschien in der Fachzeitschrift The Plant Journal; das Team identifizierte darin auch molekulare Regulatoren des Hitzegedächtnisses.

Hohe Temperaturen können Wachstum und Ertrag von Nutzpflanzen erheblich beeinträchtigen, auch bei Tomaten. Die Studie unter Leitung von Justyna Olas vom IGZ untersucht, ob Tomaten ein Hitzegedächtnis besitzen, wie es von Arabidopsis thaliana bekannt ist, und ob es sich im Ertrag niederschlägt. Bei Nutzpflanzen wie der Tomate war bislang unklar, ob dieselben molekularen Mechanismen wirken wie bei Arabidopsis.

Als „Priming“ bezeichnen die Forschenden die erste, nicht schädliche Hitzebelastung, als „Triggering“ die spätere starke Hitze. Das Priming programmiert die Pflanze um, sodass sie die Belastung einige Tage im Gedächtnis behält und auf spätere Hitze schneller und wirksamer reagiert. Mit Gedächtnis ist dabei eine veränderte Genaktivität gemeint: Bestimmte Gene, die schon bei der ersten Hitze anspringen, werden bei der zweiten Belastung noch stärker abgelesen.

Wie die Forschenden das Hitzegedächtnis untersuchten

Zunächst untersuchte das Team Tomatenpflanzen der Sorte „Moneymaker“ unter kontrollierten Bedingungen. Fünf Tage nach der Keimung kamen die Keimlinge auf ihren Nährböden ins Wasserbad: Die mäßige Hitze bestand aus 1,5 Stunden bei 37 °C und nach einer Pause 45 Minuten bei 44 °C. Mehrere Tage später folgte die starke Hitze mit 1,5 Stunden bei 44 °C. Als Vergleich dienten Pflanzen ohne vorherige Hitze, die nur die starke Belastung erlebten, Pflanzen nur mit der Vorbehandlung sowie Kontrollpflanzen ganz ohne Hitzestress.

Wie lange der Schutz anhält, prüften die Forschenden mit Pausen von 3 bis 25 Tagen zwischen beiden Behandlungen. Für die meisten weiteren Versuche, darunter die RNA-Sequenzierung, lagen 5 Tage dazwischen; die starke Hitze kam dann 10 Tage nach der Keimung. Vorbehandelte und nur stark erhitzte Pflanzen unterschieden sich also allein durch das Priming. Für die Ertragsmessung wuchsen die Pflanzen anschließend in Erde in einer Klimakammer bei 22 °C weiter, gezählt wurden die Früchte 60 Tage nach der ersten Blüte.

Für die molekulare Analyse sequenzierten die Forschenden die RNA aus dem Spross-Apikalmeristem, dem Wachstumsgewebe an der Triebspitze. Sie entnahmen es von Hand aus den Pflanzen, jeweils kurz nach der ersten Hitze und kurz nach der starken Hitze. Dabei suchten sie nach Genen, die nach der ersten Hitze und erneut bei der zweiten Belastung besonders stark aktiv sind.

Das Team setzte außerdem Tomatenpflanzen ein, denen mit der Genschere CRISPR der Transkriptionsfaktor SlHSFA2 ausgeschaltet worden war. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die das Ablesen anderer Gene steuern. Mit einer weiteren Methode schalteten die Forschenden vorübergehend einzelne SlERFs ab, eine Gruppe von Faktoren der Ethylen-Antwort, um deren Rolle zu prüfen.

Längeres Gedächtnis als bei Arabidopsis, mehr Früchte nach zweifacher Hitze

Pflanzen ohne Priming erlitten durch die starke Hitze erhebliche Schäden, vorbehandelte Pflanzen hielten die Belastung besser aus. Der Schutz hielt länger an, als es für die Ackerschmalwand Arabidopsis beschrieben ist: Bei zehn Tagen Abstand zwischen erster und starker Hitze war noch ein messbarer Effekt vorhanden. Mit längerer Gedächtnisphase nahm er ab und war nach 20 Tagen nicht mehr nachweisbar. Bei Arabidopsis hält die Primingfähigkeit nach früheren Arbeiten dagegen nur drei bis vier Tage an. Die Dauer des Hitzegedächtnisses unterscheidet sich also zwischen Pflanzenarten.

Unter kontrollierten Bedingungen bildeten Pflanzen, die erst mäßige und dann starke Hitze erlebt hatten, im Mittel 41 Prozent mehr Früchte als Kontrollpflanzen ohne Hitzestress; ein zweiter Durchgang ergab mehr als 30 Prozent. Auch die gesamte Fruchtmasse war höher, die einzelnen Früchte waren dagegen nicht schwerer. Die Qualitätsmarker β-Carotin und Lutein unterschieden sich nicht signifikant, die Fruchtqualität scheint also nicht beeinträchtigt zu sein.

Der Effekt zeigte sich auch unter unkontrollierten Umweltbedingungen. Für einen Feldversuch 2025 in Großbeeren erhielten Keimlinge die beiden Hitzebehandlungen im Labor und kamen danach ins Freiland. Dort trugen sie rund 53 Prozent mehr Früchte als Kontrollpflanzen ohne Hitzestress, im Mittel 150,8 statt 98,7 je Pflanze. Zugleich schränken die Forschenden ein: Temperatur, Licht und Luftfeuchte schwankten während des Versuchs, und er wurde nur einmal durchgeführt. Schlüsse auf andere Anbaubedingungen erlauben die Ergebnisse deshalb noch nicht.

Der Mehrertrag trat nur bei der Kombination beider Behandlungen auf. Pflanzen, die nur die erste, mäßige Hitze erhalten hatten, trugen nicht mehr Früchte. Auch das Sprosswachstum förderte das Priming allein nicht; ein stärkeres Wachstum zeigte sich erst nach der anschließenden starken Hitze. Die Autoren deuten das so, dass das Priming die Erholung von wiederkehrendem Stress verbessert und nicht das Wachstum an sich anregt.

Molekulare Regulatoren des Hitzegedächtnisses

Die RNA-Sequenzierung des Wachstumsgewebes ergab 267 Gene, die nach der ersten Hitze und bei der zweiten Belastung besonders stark aktiviert wurden. Diese Gene gehören zum Typ II des transkriptionellen Hitzegedächtnisses. Zu ihnen zählen SlBAG6 und SlHSFA2, ein Transkriptionsfaktor mit zentraler Rolle für die Gedächtnisantwort.

Bei CRISPR-veränderten Pflanzen ohne funktionsfähiges SlHSFA2 ging die Fähigkeit zum Priming weitgehend verloren. Auch die Erholung des Wachstumsgewebes nach wiederkehrender Hitze war beeinträchtigt. Weitere Analysen zeigten, dass SlHSFA2 die Aktivierung des Gens SlBAG6 steuert. Im Wachstumsgewebe scheint SlHSFA2 der vorherrschende Regler von SlBAG6 zu sein, in Blättern dürften weitere Faktoren mitwirken.

SlHSFA2 tritt zudem mit weiteren Transkriptionsfaktoren in Wechselwirkung, den ETHYLENE RESPONSE FACTORs (SlERFs). Zusammen mit SlHSFA2 verstärken sie die Aktivierung von SlBAG6. Allein reichen die SlERFs nicht aus, um den Promotor von SlBAG6 anzuschalten, also die Steuerregion des Gens. SlHSFA2 kann das allein, gemeinsam mit den SlERFs war die Aktivität im Test höher. Wurden einzelne SlERFs vorübergehend ausgeschaltet, sank die Hitzetoleranz. Die Ergebnisse sprechen für ein regulatorisches Modul aus SlHSFA2 und SlERFs, das zum transkriptionellen Hitzegedächtnis beiträgt.

Einordnung

Dass Pflanzen sich an Hitze anpassen können, ist von Arabidopsis bekannt. Dort bewältigen Pflanzen nach nicht tödlicher Hitzebelastung eine spätere Hitze besser, und das Hitzegedächtnis geht verloren, wenn der Abstand zwischen beiden Ereignissen zu lang wird. Die neue Studie zeigt, dass Tomaten diese Fähigkeit ebenfalls besitzen und länger behalten, und dass sie sich im Fruchtertrag auswirken kann.

Auch beim Regulator passt das Ergebnis zum Bekannten. Wie zuvor bei Arabidopsis wirkt SlHSFA2 als wichtiger Regulator des transkriptionellen Hitzegedächtnisses. Dass Hitzeschock- und Ethylen-Faktoren zusammenarbeiten, ist nach Angaben der Autoren ebenfalls nicht neu: In Arabidopsis binden ERFs direkt an den Promotor von HSFA2 und erhöhen die Hitzetoleranz. Dort steuert zudem HSFA7 direkt Gene der Ethylensynthese und -signalwirkung.

Das Bild ist laut den Autoren komplexer als ein einzelner Schalter. Einige Gedächtnisgene wie SlERF1.1 haben keine passenden Bindemotive in ihren Promotoren und können auch unabhängig von SlHSFA2 reguliert werden. Das deutet auf weitere, noch unbekannte Transkriptionsfaktoren hin. Im Hitzetest schwächte das Ausschalten der SlERFs die Pflanzen stärker als der Verlust von SlHSFA2 allein; die SlERFs arbeiten demnach vermutlich auch mit anderen Hitzeschockfaktoren zusammen.

Die Forschenden sehen in den Ergebnissen eine Grundlage für die Entwicklung hitzeresistenter Tomaten. Das IGZ betont, die Ergebnisse zeigten, dass Hitzegedächtnis auch bei einer wichtigen Gartenbaukultur eine anpassende Funktion haben kann. Die Autoren schreiben, das Priming deute auf einen neuen Weg zu höheren Erträgen bei schwankenden Temperaturen und eröffne Chancen für Züchtungsansätze im Klimawandel.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um eine experimentelle Studie mit Labor-, Klimakammer- und Feldversuchen an einer einzigen Tomatensorte, „Moneymaker“; die Arbeit ist ein Fachartikel, kein Preprint.
• Die Ertragszahlen beruhen auf kleinen Gruppen: In der Klimakammer waren es je 5 Pflanzen, im einmaligen Feldversuch je 11 Pflanzen.
• Die 41 und 53 Prozent beziehen sich auf Kontrollpflanzen ohne Hitzestress. Pflanzen, die nur die starke Hitze erlebten, gingen nicht in die Ertragsmessung ein.
• Die Hitze bekamen die Pflanzen als Keimlinge im Wasserbad. Ob natürliche Hitzewellen während des Wachstums ähnlich wirken, hat die Studie nicht geprüft.
• Gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und vom IGZ. Nach eigener Angabe haben die Autoren keine Interessenkonflikte.

Offene Fragen

Unklar bleibt, wie die molekulare Gedächtnisantwort bei jungen Pflanzen letztlich zum höheren Ertrag führt. Ob SlHSFA2 und SlERFs den Ertrag beeinflussen, lässt sich der Studie zufolge erst klären, wenn der Ertrag von Überexpressions- und CRISPR-Linien gemessen wird.

Ebenso offen ist, ob sich das Priming unter anderen Praxisbedingungen bewährt. Ob die Ergebnisse für andere Tomatensorten gelten, hat das Team nicht untersucht.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Thermal priming enhances heat tolerance and yield in tomatoes after recurrent heat stress“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 26.10.2026

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