Tomatenpflanzen können sich auf wiederkehrende Hitzewellen vorbereiten – und davon sogar profitieren. Forschende des Leibniz-Instituts für Gartenbauwissenschaften (IGZ) in Großbeeren haben sowohl im Gewächshaus als auch im Freiland nachgewiesen, dass eine moderate Hitzebelastung die Pflanzen widerstandsfähiger gegen späteren Hitzestress macht. Im Feldversuch trugen die vorbelasteten Pflanzen rund 53 Prozent mehr Früchte als Vergleichspflanzen ohne Vorbehandlung. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „The Plant Journal" veröffentlicht und identifiziert auch die molekularen Mechanismen hinter diesem Effekt.
Was ist thermisches Priming?
Thermisches Priming – zu deutsch: Vorbereitung durch Wärme – bezeichnet einen Prozess, bei dem Pflanzen auf einen anfänglichen moderaten Hitzestress mit einer Art Umprogrammierung reagieren. Sie bewahren das Gedächtnis an dieses Stressereignis mehrere Tage lang und können dadurch schneller und effektiver auf nachfolgenden Hitzestress reagieren. Das Team um Dr. Justyna Olas untersuchte diesen Mechanismus an Tomatenpflanzen der Sorte „Moneymaker". Nach einer ersten moderaten Hitzebelastung erhielten die Pflanzen einige Tage später einen starken erneuten Hitzestress. Während nicht vorbelastete Pflanzen dadurch deutliche Schäden erlitten, konnten die durch Wärme vorbehandelten Pflanzen dem Stress besser standhalten.
Wie lange hält das Hitzegedächtnis?
Die schützende Wirkung des Primings hielt bei Tomaten erstaunlich lange an. Auch nach einer zehntägigen Pause zwischen der ersten Hitzebelastung und dem erneuten Hitzestress war noch ein messbarer Schutzeffekt vorhanden. Mit zunehmender Dauer der Gedächtnisphase nahm dieser jedoch ab und war nach 20 Tagen nicht mehr nachweisbar. Damit zeigt die Studie, dass die Dauer des thermischen Gedächtnisses artspezifische Unterschiede aufweist: Bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, einer kleinen Kreuzblütler-Art die häufig in der Forschung eingesetzt wird, hält der Effekt deutlich kürzer an als bei Tomaten.
Deutlich höhere Erträge unter kontrollierten und Feldbedingungen
Besonders relevant für die Praxis ist der Effekt auf die Fruchtbildung. Unter kontrollierten Bedingungen bildeten Pflanzen, die mäßiger Wärme ausgesetzt und anschließend erneut einem starken Hitzestress ausgesetzt wurden, durchschnittlich 41 Prozent mehr Früchte als nicht hitzegestresste Kontrollpflanzen. Auch die Gesamtfruchtmasse war höher. Untersuchungen von Beta-Carotin und Lutein – zwei wichtige Qualitätsmarker für Tomaten – ergaben keine signifikanten Unterschiede, was darauf hindeutet, dass die Fruchtqualität durch die Behandlung nicht beeinträchtigt wird.
Der Effekt wurde auch unter unkontrollierten Umweltbedingungen beobachtet. In einem 2025 durchgeführten Feldversuch in Großbeeren bildeten die zunächst moderat erhitzten und anschließend erneut hitzegestressten Tomatenpflanzen rund 53 Prozent mehr Früchte als die nicht hitzegestressten Kontrollpflanzen. Auch hier war die Gesamtfruchtmasse höher. Die Forschenden betonen allerdings, dass Temperatur, Licht und Luftfeuchtigkeit während des Versuchs schwankten und der Feldversuch bislang nur einmal durchgeführt wurde. Daraus lassen sich noch keine Aussagen über die Wirkung einer solchen Behandlung unter unterschiedlichen Praxisbedingungen ableiten. Die Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass thermisches Priming eine vielversprechende Strategie zur Steigerung des Fruchtertrags unter Feldbedingungen nach wiederkehrendem Hitzestress darstellen könnte.
Molekulare Mechanismen entschlüsselt
Auf molekularer Ebene untersuchten die Forschenden die Reaktion der Tomatenpflanzen mittels RNA-Sequenzierung des Sprossapikalmeristems – jener Wachstumszone an der Sprossspitze, aus der neue Blätter und Blüten entstehen. Sie identifizierten 267 Gene, die nach dem anfänglichen Hitzestress und während des nachfolgenden Hitzestresses besonders stark aktiviert wurden. Zu diesen sogenannten Typ-II-Genen des transkriptionellen thermischen Gedächtnisses gehören unter anderem SlBAG6 sowie SlHSFA2, ein Transkriptionsfaktor – also ein Protein, das die Aktivität anderer Gene steuert – der für die thermische Gedächtnisreaktion eine zentrale Rolle spielt.
In CRISPR-veränderten Tomatenpflanzen ohne funktionelles SlHSFA2 ging die Fähigkeit zum thermischen Priming weitgehend verloren. Auch die Erholung des Sprossapikalmeristems nach erneutem Hitzestress war beeinträchtigt. Weitere Analysen zeigten, dass SlHSFA2 die Aktivierung des Gens SlBAG6 steuert. Zudem interagiert SlHSFA2 mit anderen Transkriptionsfaktoren, den ETHYLENE RESPONSE FACTORs (SlERFs), die gemeinsam mit SlHSFA2 die Aktivierung von SlBAG6 verstärken. Wurden einzelne SlERFs vorübergehend ausgeschaltet, verringerte sich die Hitzetoleranz. Die Ergebnisse weisen damit auf ein Regulationsmodul hin, an dem SlHSFA2 und SlERF beteiligt sind und das zum transkriptionellen thermischen Gedächtnis beiträgt.
Ausblick: Von der Forschung zur Anwendung
Die Ergebnisse zeigen, dass das thermische Stressgedächtnis auch in einer wichtigen Gartenbaukultur eine adaptive Funktion haben kann, und liefern Ansatzpunkte für die weitere Erforschung und mögliche Nutzung dieses Mechanismus bei der Entwicklung hitzebeständiger Tomaten. Wie die molekulare Stressgedächtnis-Reaktion letztlich zu einer höheren Fruchtzahl beiträgt, ist jedoch noch nicht geklärt. Angesichts häufigerer und intensiverer Hitzewellen im Zuge des Klimawandels könnte die gezielte Vorbelastung von Kulturpflanzen künftig eine Rolle in der landwirtschaftlichen Praxis spielen – vorausgesetzt, weitere Feldversuche unter verschiedenen Bedingungen bestätigen die bisherigen Ergebnisse.
Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Förderkennzeichen OL 767/1-1 finanziert.
