Profiling als Methode zur Identifikation relevanter Metabolite für die phänologische Modellierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, Metabolite in Kirschknospen zu identifizieren, die an der Induktion, Aufrechterhaltung und Freisetzung der Dormanz beteiligt sind und die Terminierung der Dormanzphasen sowie den Beginn der ontogenetischen Entwicklung bestätigen. Dazu wurde ein gestaffeltes Metabolite-Profiling (untargeted, targeted) durchgeführt, um festzustellen welche Stoffgruppen zwischen den Dormanzphasen signifikante und physiologisch begründete Gehaltsänderungen in den Knospen zeigen. Vertreter dieser Stoffgruppen wurden dazu herangezogen, um zu einem tieferen Verständnis der Prozessabläufe während der Winterruhe zu gelangen und diese auf ihre Bedeutung für die phänologische Modellierung zu prüfen. Exemplarisch wurden hierzu für die Süßkirschsorte Summit im wöchentlichen Abstand von Oktober bis April Blütenknospen über neun Jahre von den Bäumen entnommen. Als Ergebnis des „untargeted global metabolite-profiling", wurden in den Kirschknospen 445 Metabolite identifiziert, die verschiedenen Stoffgruppen zugeordnet werden konnten, wie beispielsweise Phytohormonen, Aminosäuren, Kohlenhydraten, Lipiden, Nukleotiden und Peptiden. Die Zu- und Abnahme in der Anzahl der Metabolite konnte sowohl anabolische als auch katabolische Stoffwechselprozesse im Beobachtungszeitraum belegen. Eine differenzierte Betrachtung der Anzahl der Metabolite bestätigte die Einstellung biologischer Aktivität (z.B. Energiestoffwechsel) vor und während der Ökododormanz, und die Wiederaufnahme der Stoffwechselaktivität mit dem Beginn der ontogenetischen Entwicklung. Abscisinsäure, Chrysin, Arabonsäure, Pentosesäure, Saccharose, Isoleucin wurden für die Gehaltsbestimmung ausgewählt, da sie signifikante Veränderungen in ihrer Intensität zwischen den phänologischen Stadien, einschließlich der nicht zu beobachten Zeitpunkte für t1 und t1* zeigten. Einzig das Phytohormon Abscisinsäure (ABA), das während der Winterruhe eine wachstums- und damit entwicklungshemmende Funktion auch bei Süßkirschen hat, konnte als Metabolit identifiziert werden, dass eine physiologisch begründete Modellierung der Ökodormanz erlaubt. Allerdings sind diesbezüglich die Kenntnisse was Etablierung, Aufrechterhalten und Abbau der Dormanz betrifft nur begrenzt verfügbar. Die Ergebnisse in diesem Projekt liefern diesbezüglich neue Erkenntnisse. In den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die während der Ökodormanz (t1-t1*) zur Verfügung stehende Wärmemenge (GDH) jährlich stark variiert (998 ± 699 GDH, cv=70 %) und keinen signifikanten Einfluss auf den Blühbeginn hat. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich während der Ökodormanz unter kontrollierten Bedingungen, der Wärmebedarf bis zur Blüte in Abhängigkeit vom ABA-Gehalt in den Knospen reduziert. Demgegenüber führt die Akkumulation von Kälteeinheiten (CP) während der Ökodormanz nicht zu einer Reduktion des ABA-Gehalts und ist somit physiologisch nicht gerechtfertigt. Die in parallelen phänologischen Modellen angenommene „chilling/forcing" Kompensation ist somit physiologisch der Ausdruck eines abnehmenden ABA-Gehalts in den Knospen, der sich im Mittel zwischen t1 und t1* um ca. 50 % reduziert. Zusammenfassend kann konstatiert werden, dass die Akkumulation von Kälteeinheiten nach t1 physiologisch nicht gerechtfertigt ist. Diese Vorgehensweise muss zu Fehlaussagen bei der Verwendung der Modelle unter sich ändernden Klimabedingungen führen, da entweder der Kältereiz (C*) der Gehölze zur Freisetzung der Endodormanz überschätzt wird, oder von einer nicht physiologisch begründeten „chilling/forcing" Kompensation ausgegangen wird. Die Ergebnisse des Projektes liefern einige wichtige Hinweise zur Verbesserung der phänologischen Modellierung und zeigen einen neuen, physiologisch begründeten Weg zur Entwicklung eines sequentiellen 3-Phasen Modells auf. Obwohl die Erkenntnisse in diesem Projekt zu einem Umdenken in der phänologischen Modellierung führen sollten, müssen einige Aspekte, die die Umweltsteuerung des ABA-Gehalts betreffen, wie beispielsweise die Tiefe der Dormanz, die Modellierung des ABA-Gehalts in den Knospen und der Einfluss von Sortenunterschieden noch weiter untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Response of sweet cherry buds and twigs to temperature changes - evaluated by the determination of the degradation and synthesis of sucrose. Horticultural Science, 48(4), 149-157.
Götz, Klaus-Peter & Chmielewski, Frank-Michael
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ABA and Not Chilling Reduces Heat Requirement to Force Cherry Blossom after Endodormancy Release. Plants, 11(15), 2044.
Chmielewski, Frank-M. & Götz, Klaus-Peter
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Ecodormancy modelling - some new clues after 8 years of research. Phenology Conference, Avignon 20-24 June 2022, Abstract Book
Chmielewski FM, Götz KP
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Metabolites in Cherry Buds to Detect Winter Dormancy. Metabolites, 12(3), 247.
Chmielewski, Frank-M. & Götz, Klaus-P.
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Phytohormones in Sweet Cherry Buds During Winter Rest and Bud Development. Journal of Plant Growth Regulation, 42(4), 2519-2529.
Götz, Klaus-Peter; Chmielewski, Frank-M.; Tarkowská, Danuše; Pěnčík, Aleš & Novák, Ondřej
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A physiological model for cherry blossom, Oral presentation on the International Congress of Biometeorology in Tempe, Arizona, 14-17 May 2023
Chmielewski FM, Götz KP
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Metabolites That Confirm Induction and Release of Dormancy Phases in Sweet Cherry Buds. Metabolites, 13(2), 231.
Götz, Klaus-P. & Chmielewski, Frank-M.
