Hier kommt die Sonne: Zellularsensor hilft Pflanzen, Licht zu finden

Hier kommt die Sonne: Zellularsensor hilft Pflanzen, Licht zu finden

Die Entdeckung eines neuartigen Weges durch Salk könnte ein Segen für die Landwirtschaft sein

LA JOLLA – Obwohl Pflanzen passiv wirken, führen sie Kriege miteinander, um zu wachsen und Sonnenlicht zu absorbieren. Wenn eine Pflanze von einer anderen Pflanze beschattet wird, wird sie vom lebensnotwendigen Sonnenlicht abgeschnitten.

Um diesem tödlichen Schatten zu entkommen, verfügen Pflanzen über Lichtsensoren, die einen internen Alarm auslösen können, wenn sie durch den Schatten anderer Pflanzen bedroht werden. Ihre Sensoren können den Mangel an rotem und blauem Licht (von der Vegetation absorbierte Wellenlängen) erkennen, um zwischen einer aggressiven Pflanze in der Nähe und einer vorbeiziehenden Wolke zu unterscheiden.

Wissenschaftler am Salk Institute haben eine Methode entdeckt, mit der Pflanzen die Qualität des Schattens beurteilen können, um bedrohliche Nachbarn zu übertreffen. Diese Erkenntnis könnte zur Verbesserung der Produktivität von Nutzpflanzen genutzt werden. Das neue Werk, veröffentlicht am 24. Dezember 2015 in Zellezeigt, wie der von molekularen Sensoren in Pflanzen erkannte Schwund des blauen Lichts ein beschleunigtes Wachstum auslöst, um eine konkurrierende Pflanze zu besiegen.

„Mit diesem Wissen und Entdeckungen wie es„Vielleicht könnte man einer Pflanze irgendwann beibringen, die Tatsache zu ignorieren, dass sie im Schatten steht, und trotzdem viel Biomasse abzugeben“, sagt er Johanna Chory, leitender Autor und Direktor von Salks Plant Molecular and Cellular Biology.

Ullas V. Pedmale und Joanne Chory

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Das neue Werk stellt bisherige Vorstellungen auf diesem Gebiet auf den Kopf. Es war bekannt, dass Pflanzen auf vermindertes rotes Licht reagieren, indem sie ein Wachstumshormon namens Auxin aktivieren, das seine Nachbarn übertrifft. Dies ist jedoch das erste Mal, dass Forscher gezeigt haben, dass die Schattenvermeidung durch einen völlig anderen Mechanismus erfolgen kann: Anstatt den Auxinspiegel zu verändern, reagiert ein zellulärer Sensor namens Cryptochrom auf vermindertes blaues Licht, indem er Gene aktiviert, die das Zellwachstum fördern.

Diese Entdeckung könnte Forschern helfen, zu lernen, wie man Pflanzengene verändert, um das Wachstum zu optimieren, um beispielsweise Soja- oder Tomatenpflanzen (die bekanntermaßen unbeständig sind) dazu zu zwingen, aggressiver zu wachsen und selbst auf einem überfüllten, schattigen Feld einen höheren Ertrag zu erzielen.

Der Schwerpunkt der Forschungsbemühungen des Teams lag auf Kryptochromen, blauen lichtempfindlichen Sensoren, die dafür verantwortlich sind, einer Pflanze zu sagen, wann sie wachsen und wann sie blühen soll. Kryptochrome wurden zuerst in Pflanzen identifiziert und später in Tieren gefunden. In beiden Organismen sind sie mit dem zirkadianen Rhythmus (der biologischen Uhr des Körpers) verbunden. Die Rolle des Proteins bei der Erkennung der Erschöpfung des blauen Lichts war bekannt, aber diese Studie ist die erste, die zeigt, wie Cryptochrome das Wachstum in einer schattigen Umgebung fördern.

Das Team platzierte Normale und Mutierte Arabidopsis Pflanzen in einem lichtkontrollierten Raum, in dem blaues Licht begrenzt war. Den mutierten Pflanzen fehlten entweder Kryptochrome oder ein PIF-Transkriptionsfaktor, eine Art Protein, das an DNA bindet, um zu steuern, wann Gene ein- oder ausgeschaltet werden. PIFs nehmen typischerweise direkten Kontakt mit Rotlichtsensoren, sogenannten Phytochromen, auf, um das Wachstum durch Schattenvermeidung zu initiieren. Die Forscher verglichen die Reaktionen der mutierten und normalen Pflanzen auf die unterschiedlichen Blaulichtbedingungen, indem sie die Wachstumsrate der Stängel überwachten und Kontakte zwischen Kryptochromen, PIFs und Chromosomen untersuchten.

„Wir haben herausgefunden, dass Cryptochrome diese Transkriptionsfaktoren auf der DNA kontaktieren und Gene aktivieren, die völlig anders sind als das, was andere Photorezeptoren aktivieren“, sagt Ullas Pedmale, Erstautor der Arbeit und wissenschaftlicher Mitarbeiter von Salk. „Dies ist auch ein sehr kurzer Weg, sodass Pflanzen schnell auf ihre Lichtumgebung reagieren können.“

Der nächste Schritt der Arbeit besteht darin, zu verstehen, wie die Wachstumsreaktion manipuliert werden kann. „Letztendlich könnten wir Landwirten dabei helfen, Pflanzen sehr dicht beieinander anzubauen, indem wir die Art und Weise ändern, wie Pflanzen Blätter ausbilden, wie schnell die Blätter wachsen und in welchen Winkeln die Blätter relativ zueinander und zum Stängel wachsen. Dies wird dazu beitragen, den Ertrag der nächsten Generationen von Nutzpflanzen zu steigern“, sagt Chory, der auch Forscher am Howard Hughes Medical Institute ist und den Howard H. und Maryam R. Newman-Lehrstuhl für Pflanzenbiologie innehat.

„Schattenvermeidung und die Reaktion von Pflanzen auf Temperaturerhöhungen sehen ähnlich aus und weisen tatsächlich viele gemeinsame molekulare Komponenten auf“, fügt Pedmale hinzu. „Deshalb wird die Untersuchung der Schattenvermeidung nicht nur zu Ertragssteigerungen in schattigen Umgebungen führen, sondern könnte auch erklären, wie sich der Ertrag in einem sich erwärmenden Klima steigern lässt.“

Weitere Autoren des Artikels waren Shao-shan Carol Huang, Mark Zander, Benjamin Cole, Jonathan Hetzel, Pedro Reis, Kazumasa Nito, Joseph Nery und Joseph Ecker vom Salk Institute; Karin Ljung vom Umeå Plant Science Center der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften; und Priya Sridevi von der University of California, San Diego.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die NIH, Rose Hills Foundation, der HA und Mary K. Chapman Charitable Trust, DOE, der NSF, der Gordon und Betty Moore Foundation und den Howard Hughes Medical Institute.