Plant stress memory within and across generations

Abstract

Im Zuge des Klimawandels werden Trockenheit und Staunässe in vielen Teilen der Welt immer häufiger und intensiver auftreten. Diese Stressfaktoren beeinträchtigen das Pflanzenwachstum, indem sie die Photosynthese hemmen und oxidative Zellschäden verursachen. Eine vielversprechende Strategie von Pflanzen, um mit solchen schädlichen Bedingungen fertig zu werden, ist das pflanzliche Stressgedächtnis. Dies ist die Fähigkeit von Pflanzen, frühere Stressinformationen zu speichern, um als Reaktion auf wiederholten Stress in derselben Generation (Gedächtnis innerhalb einer Generation) oder in der nächsten Generation (transgenerationales Gedächtnis) eine Verbesserung der Pflanzenleistung auszulösen. Pflanzen verfügen auch über ein Cross-Stress-Gedächtnis; die Konfrontation mit einer Art von Stress, erhöht die Toleranz gegenüber eine anderen Stressart. Darüber hinaus könnte das Stressgedächtnis von Pflanzen bei Arten und Individuen mit eingeschränkter Ausbreitung stärker ausgeprägt sein, da eine eingeschränkte Ausbreitung die Kongruenz zwischen der Umgebung der Mutter und ihrer Nachkommen vergrößern könnte. Die Mechanismen, die dem Gedächtnis für Trockenheit und Staunässe und dem möglichen Cross-Stress-Gedächtnis innerhalb einzelner Generationen oder bei Nachkommen zugrunde liegen, sind derzeit unklar. Außerdem gibt es nur wenige Studien, die die Stärke des Stressgedächtnisses von Pflanzen untersuchen. In dieser Doktorarbeit stellte ich die Hypothese auf, dass Trockenheit und Staunässe zur Bildung eines Stressgedächtnisses führen, das die Leistung der Pflanzen verbessert und Veränderungen der morphologischen, photosynthetischen und antioxidativen Parameter bei wiederholter Trockenheit innerhalb derselben Generation bewirkt. Um diese Hypothese zu testen, habe ich Alopecurus pratensis über zwei Jahre hinweg wiederholt Staunässe und Trockenheit ausgesetzt. Im dritten Jahr wurden die Pflanzen ann zwei Wochen lang Trockenstress ausgesetzt. Meine Ergebnisse bestätigten die erste Hypothese, dass Pflanzen, die zuvor Trockenheit ausgesetzt waren, nach wiederholtem Trockenstress in derselben Generation weniger Gewebeschäden und einen höheren Rubisco-Gehalt, und Gehalt an antioxidativen Enzymen (POX und SOD) und Chlorophyll b aufwiesen. Gräser weisen ein langfristiges Trockenstressgedächtnis über mehrere Wochen hinweg auf und dies hängt mit dem anti-oxidativen System zusammen. Darüber hinaus stellte ich die Hypothese auf, dass Nachkommen, die Stress erfahren, besser abschneiden, wenn die Mütter zuvor Stress erfahren haben, unabhängig von der Art des Stresses. Um dies zu testen, führte ich ein voll-faktorielles Topfexperiment über zwei xvi Generationen durch, bei dem Mutter- und Nachkommenpflanzen Staunässe und Trockenheit ausgesetzt wurden. Im Einklang mit meiner zweiten Hypothese erhöhte die Erfahrung der Mutter mit Staunässe und Trockenheit bei vier mehrjährigen Arten die Biomasse und die Reproduktionsleistung der Nachkommen, die denselben Stressbedingungen ausgesetzt waren wie ihre Mütter. Dieses transgenerationale Gedächtnis wurde mit Veränderungen im antioxidativen System einer Art in Verbindung gebracht, die oxidative Schäden durch die Hochregulierung von schützenden Enzymen bei den Nachkommen verringerten, die denselben Bedingungen ausgesetzt waren wie ihre Mütter. Allerdings konnte ich in dem Experiment nur eine Erinnerung an die gleiche Belastung, aber keine Erinnerung an eine andere Belastung feststellen (keine Cross-Stress-Toleranz). Schließlich stellte ich die Hypothese auf, dass die Stärke der adaptiven mütterlichen Effekte bei Arten oder einzelnen Samen mit geringerer Fähigkeit zur Samenverbreitung zunimmt. Um die dritte Hypothese zu prüfen, wurden von den unteren und oberen Teilen jeder Mutterpflanze Samenköpfe gesammelt, um die Stärke des transgenerationalen Gedächtnisses zu testen, und für die Berechnung der Ausbreitungsdistanz verwendet. Die Nachkommen der unteren und oberen Teile der Mutterpflanzen wurden denselben Wasserbehandlungen ausgesetzt wie die Mütter. Im dritten Experiment konnten die Mutterpflanzen ihre Nachkommen nicht auf den bevorstehenden Wasserstress vorbereiten. Auch eine mütterliche Stresserfahrung als solche konditionierte die Nachkommen nicht auf andere Arten von Stress. Außerdem zeigten Samen mit einer längeren erwarteten Ausbreitungsdistanz entgegen meinen Erwartungen einen stärkeren mütterlichen Anpassungseffekt, wenn sie demselben Wasserstress ausgesetzt waren wie ihre Mütter. Meine Forschung liefert Beweise für ein Trockenheitsgedächtnis innerhalb von Generationen und über Generationen hinweg und stellt eine Verbindung zu den zugrunde liegenden photosynthetischen und redoxbezogenen Mechanismen her. Darüber hinaus wurde die transgenerationale Staunässe mit einem ähnlichen Mechanismus in Verbindung gebracht. Dies könnte zu den schnellen Reaktionen der Pflanzen auf Umweltveränderungen beitragen. Wie ich jedoch in dieser Arbeit gezeigt habe, ist das pflanzliche Stressgedächtnis nicht bei allen Pflanzenarten vorhanden. In Zukunft wird es wichtig sein, die Ursache für die ökologisch bedeutsamen Diskrepanzen bei den mütterlichen Effekten zwischen den Arten zu untersuchen. Unterschiedliche mütterliche Effekte zwischen den Arten könnten die Artenvielfalt erhöhen. Ein umfassenderes Verständnis des transgenerationalen Gedächtnisses könnte dazu beitragen, die Strategien zur Verbesserung von Pflanzen für wirtschaftlich und ökologisch wichtige Arten anzupassen.

Under climate change, drought and waterlogging stresses will become more frequent and intense in many parts of the world. These stresses depress plant growth by inhibiting photosynthesis and causing oxidative cell damage. One of the promising strategies of plants to cope with such harmful conditions is plant stress memory. Plant stress memory is the capacity of plants to store previous stress information to trigger an improvement in plant performance as a response to repeated stress in the same generation (within-generation memory) or in the next generation (transgenerational memory). Plants also have cross-stress memory; they can tolerate one type of stress while previews exposed to another. Additionally, plant stress memory could be stronger in species and individuals with dispersal limitation since dispersal limitation could enlarge congruence between offspring and their mothers. Mechanisms underlying drought and waterlogging memory and possible cross-stress memory in single or offspring generations are currently unclear. In addition, studies testing the strength of plant stress memory are rare. In this PhD thesis, I hypothesised that drought and waterlogging stress lead to a formation of stress memory that improves plant performance and causes changes in morphological, photosynthetic and antioxidative parameters under recurring drought within the same generation. To test this hypothesis, I repeatedly subjected Alopecurus pratensis grass plants to waterlogging and drought over two years. In the third year, plants were well-watered for three weeks to recover and then subjected to drought stress for two weeks. My results confirmed the first hypothesis that plants pre-exposed to drought showed less tissue damage, higher levels of Rubisco content, antioxidative enzymes (POX and SOD) and chlorophyll b after repeated drought stress in the same generation. I thus show for the first time that grasses can show a long-term drought stress memory lasting over several weeks. Further, I hypothesised that offspring experiencing stress performed better when mothers had experienced stress before, irrespective of the type of stress. To test this, I conducted a full-factorial pot experiment over two generations, subjecting maternal and offspring plants to waterlogging and drought. In line with my second hypothesis, maternal waterlogging and drought experience in four perennial species increased biomass and reproductive output in offspring experiencing the same stress conditions as their mothers (transgenerational adaptive effects). This transgenerational memory was linked to changes in the antioxidative system of one species, reducing oxidative damage through the upregulation of protective enzymes in offspring experiencing the same conditions as their mothers. However, I detected only same- stress but no cross-stress memory in the experiment. Lastly, I hypothesised that the strength of adaptive maternal effects increases in species or individual seeds with lower seed dispersal ability. To test the third hypothesis, seed heads were collected from the lower and upper parts of each mother plant to test the strength of the transgenerational memory and used for dispersal distance calculation. Offspring from the maternal lower and upper parts were exposed to the same water treatments as mothers. In the third experiment, maternal plants could not prepare their offspring for upcoming water stresses. Also, a maternal stress experience per se did not pre-condition offspring to other types of stress. Further, opposite to my expectations, seeds with a longer expected dispersal distance showed a stronger maternal adaptive effect when exposed to the same water stress as their mothers. My research provides evidence for within-generational and transgenerational drought memory and links this to underlying photosynthetic and redox-related mechanisms. In addition, transgenerational waterlogging was linked to a similar mechanism. This might contribute to the rapid responses of plants to environmental change. However, as I showed in this thesis, plant stress memory is not present in all plant species. In the future, it will be important to investigate the cause of the ecologically significant discrepancies in maternal effects among species. Different maternal effects among species could increase biodiversity. A broader understanding of transgenerational memory could help to adjust crop improvement strategies for economically and ecologically important species.