Salk-Wissenschaftler entdecken, wie Pflanzen wachsen, um dem Schatten zu entkommen

Salk-Wissenschaftler entdecken, wie Pflanzen wachsen, um dem Schatten zu entkommen

Die Erkenntnisse könnten zu ertragreichen Pflanzen führen, die Licht effizienter sammeln und Ackerland besser nutzen

LA JOLLA, Kalifornien – Obwohl sie sanftmütig wirken, sind Pflanzen äußerst konkurrenzfähig, insbesondere wenn es darum geht, ihren gerechten Anteil an Sonnenlicht zu bekommen. Ob Wald oder Bauernhof, wo Pflanzen wachsen, tobt ein Kampf um die Sonnenstrahlen.

Die Hauptwaffe einer Pflanze in diesem Kampf ist die Fähigkeit, dem Licht entgegen zu wachsen, genau die Menge zu bekommen, die sie braucht, und ihre Konkurrenz in den Schatten zu stellen. Jetzt haben Wissenschaftler am Salk Institute for Biological Studies genau ermittelt, wie Blätter die Stängel zum Wachsen bringen, wenn eine Pflanze an einem schattigen Ort gefangen wird.

In einem am 15. April veröffentlichten Artikel Gene und Entwicklungberichten die Forscher, dass ein Protein namens Phytochrome Interacting Factor 7 (PIF7) als wichtiger Bote zwischen den zellulären Lichtsensoren einer Pflanze und der Produktion von Auxinen dient, Hormonen, die das Stammwachstum stimulieren.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

„Wir wussten, wie Blätter Licht wahrnehmen und dass Auxine das Wachstum vorantreiben, aber wir verstanden nicht den Weg, der diese beiden grundlegenden Systeme miteinander verbindet“, sagt er Johanna Chory, Professor und Direktor der Salk's Labor für Pflanzenbiologie und ein Forscher des Howard Hughes Medical Institute. „Da wir nun wissen, dass PIF7 das Relais ist, verfügen wir über ein neues Werkzeug zur Entwicklung von Nutzpflanzen, die die Feldfläche optimieren und so mehr Nahrungsmittel oder Rohstoffe für Biokraftstoffe und bioerneuerbare Chemikalien produzieren.“

Pflanzen sammeln durch lichtempfindliche Moleküle in ihren Blättern Informationen über ihre Lichtsituation – einschließlich der Frage, ob sie von anderen lichtraubenden Pflanzen umgeben sind. Diese Sensoren bestimmen anhand der Wellenlänge des roten Lichts, das auf die Blätter trifft, ob eine Pflanze im vollen Sonnenlicht oder im Schatten anderer Pflanzen steht.

Wenn es sich um eine sonnenliebende Pflanze wie die Ackerkresse handelt (Arabidopsis thaliana), die Art Chory untersucht, befindet sich an einem schattigen Ort, die Sensoren werden den Zellen im Stamm mitteilen, dass sie sich verlängern, wodurch die Pflanze nach oben in Richtung Sonnenlicht wächst.

Wenn eine Pflanze jedoch über einen längeren Zeitraum im Schatten bleibt, blüht sie möglicherweise früher und produziert in einem letzten Versuch weniger Samen, um ihren Nachkommen die Verbreitung auf sonnigeren Standorten zu erleichtern. In der Landwirtschaft führt diese als Schattenvermeidungssyndrom bekannte Reaktion zu Ertragseinbußen aufgrund eng angebauter Pflanzenreihen, die sich gegenseitig das Licht blockieren.

Wissenschaftler wussten, dass ein in Blättern von Ackerschmalwandpflanzen vorkommendes Pigment, Phytochrom B (PHYB), sowohl durch die roten Wellenlängen des Lichts, das die Photosynthese antreibt, als auch durch das nahe Infrarotlicht, das an schattigen Stellen angereichert wird, angeregt wird. Aber niemand hatte einen direkten Zusammenhang zwischen dieser Reaktion auf Licht und der hormonell bedingten Wachstumsreaktion auf Schatten gefunden.

In ihrer Studie haben Chory und ihre Kollegen u. a Joseph R. Ecker, Professor am Salk Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory, identifizierte PIF7 mithilfe biochemischer und genomischer Analysen als die wichtigste molekulare Verbindung zwischen den Lichtsensoren einer Pflanze und der Produktion von Auxinen.

Sie zeigten, dass, wenn eine Ackerschmalwandpflanze in den Schatten gestellt wird, eine Kaskade molekularer Veränderungen in den Zellen der Blätter stattfindet: Der PHYB-Photorezeptor verursacht chemische Veränderungen in PIF7, das dann Gene aktiviert, die die Zelle anweisen, Auxin zu produzieren.

„Wir wussten bereits, dass Auxin in den Blättern hergestellt wird und zum Stängel wandert, um das Wachstum anzuregen“, sagt Chory. „Jetzt wissen wir, wie Schatten die Blätter zur Produktion von Auxin anregt, und es stellt sich heraus, dass dies ein bemerkenswert einfacher Weg ist, eine so wichtige Funktion zu steuern.“

Sie fügte hinzu, dass die Ergebnisse neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Nutzpflanzen mit Stängelarchitekturen bieten könnten, die besser für dicht bepflanzte Feldreihen geeignet sind und sie weniger anfällig für das Schattenvermeidungssyndrom machen. Im Erfolgsfall würden solche Pflanzen höhere Erträge an Nahrungsmitteln und Biokraftstoffen liefern als bestehende Sorten.

Weitere Autoren des Artikels sind: Lin Li, der Erstautor und ehemalige Postdoktorand in Chorys Labor; Benjamin J. Cole, Lauren J. Ivans, Ullas V. Pedmale, Hou-Sung Jung und Robert J. Schmitz vom Salk Institute; Karin Ljung von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften; und Ghislain Breton, Chris Cowing-Zitron, Steve Kay und Jose Pruneda-Paz von der University of California in San Diego.

Die Forschung wurde von den National Institutes of Health und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.