Wie Licht und Temperatur zusammenwirken, um das Pflanzenwachstum zu beeinflussen

Wie Licht und Temperatur zusammenwirken, um das Pflanzenwachstum zu beeinflussen

Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, widerstandsfähigere Pflanzen zu entwickeln, die dem Klimawandel standhalten

LA JOLLA – Pflanzen verlängern und biegen sich, um den Zugang zum Sonnenlicht zu gewährleisten. Obwohl dieses Phänomen seit Jahrhunderten beobachtet wird, verstehen Wissenschaftler es nicht vollständig. Nun haben Salk-Wissenschaftler herausgefunden, dass zwei Pflanzenfaktoren – das Protein PIF7 und das Wachstumshormon Auxin – die Auslöser sind, die das Wachstum beschleunigen, wenn Pflanzen gleichzeitig von einem Blätterdach beschattet und warmen Temperaturen ausgesetzt werden.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht am 29. August 2022 wird Wissenschaftlern dabei helfen, vorherzusagen, wie Pflanzen auf den Klimawandel reagieren – und die Ernteproduktivität trotz des ertragsschädigenden globalen Temperaturanstiegs steigern werden.

„Im Moment bauen wir Pflanzen in bestimmten Dichten an, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wir diese Dichten verringern müssen, um das Wachstum zu optimieren, wenn sich unser Klima ändert“, sagt der leitende Autor Professor Johanna Chory, Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory in Salk und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Das Verständnis der molekularen Grundlagen, wie Pflanzen auf Licht und Temperatur reagieren, wird es uns ermöglichen, die Erntedichte gezielt anzupassen, um die besten Erträge zu erzielen.“

Während des Keimens verlängern die Sämlinge ihre Stängel schnell, um die bedeckende Erde zu durchbrechen und so schnell wie möglich Sonnenlicht einzufangen. Normalerweise verlangsamt der Stängel sein Wachstum, wenn er dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Der Stängel kann jedoch schnell wieder länger werden, wenn die Pflanze mit umliegenden Pflanzen um Sonnenlicht konkurriert oder als Reaktion auf warme Temperaturen der Abstand zwischen dem heißen Boden und den Blättern der Pflanze vergrößert wird. Während beide Umweltbedingungen – Schatten im Blätterdach und warme Temperaturen – das Stängelwachstum fördern, verringern sie auch den Ertrag.

In dieser Studie verglichen die Wissenschaftler Pflanzen, die gleichzeitig im Schatten des Blätterdachs und bei warmen Temperaturen wachsen – ein Zustand, der eine hohe Pflanzendichte und den Klimawandel nachahmt. Die Wissenschaftler nutzten die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, sowie Tomaten und einen nahen Verwandten des Tabaks, denn sie wollten herausfinden, ob alle drei Pflanzenarten von dieser Umweltbedingung gleichermaßen betroffen sind.

Bei allen drei Arten stellte das Team fest, dass die Pflanzen extrem hoch wuchsen, wenn sie gleichzeitig versuchten, den Schatten benachbarter Pflanzen zu meiden und wärmeren Temperaturen ausgesetzt zu sein. Auf molekularer Ebene entdeckten die Forscher, dass der Transkriptionsfaktor PIF7, ein Protein, das dabei hilft, Gene „an“ und „aus“ zu schalten, der dominierende Akteur für das beschleunigte Wachstum war. Sie fanden auch heraus, dass das Wachstumshormon Auxin zunahm, wenn die Pflanzen benachbarte Pflanzen wahrnahmen, was das Wachstum als Reaktion auf gleichzeitig wärmere Temperaturen förderte. Dieser synergistische PIF7-Auxin-Weg ermöglichte es den Pflanzen, auf ihre Umgebung zu reagieren und sich anzupassen, um die besten Wachstumsbedingungen zu finden.

Ein verwandter Transkriptionsfaktor, PIF4, stimulierte ebenfalls die Stängelverlängerung bei warmen Temperaturen. Bei der Kombination von Schatten und erhöhter Temperatur spielte dieser Faktor jedoch keine große Rolle mehr.

„Wir waren überrascht, dass PIF4 keine große Rolle spielte, da frühere Studien die Bedeutung dieses Faktors in entsprechenden Wachstumssituationen gezeigt haben“, sagt Erstautor Yogev Burko, ein Salk-Mitarbeiter und Assistenzprofessor an der Agriculture Research Organization an der University of Southern California Volcani-Institut in Israel. „Die Tatsache, dass PIF7 die dominierende treibende Kraft hinter diesem Pflanzenwachstum ist, war eine echte Überraschung. Mit diesem neuen Wissen hoffen wir, diese Wachstumsreaktion bei verschiedenen Nutzpflanzen zu optimieren, um sie bei der Anpassung an den Klimawandel zu unterstützen.“

Die Forscher glauben, dass es noch einen weiteren, noch zu entdeckenden Akteur gibt, der die Wirkung von PIF7 und Auxin verstärkt. Sie hoffen, diesen unbekannten Faktor in zukünftigen Studien untersuchen zu können. Burkos Labor wird außerdem untersuchen, wie dieser Stoffwechselweg in Nutzpflanzen optimiert werden kann.

„Die globalen Temperaturen steigen, deshalb brauchen wir Nahrungspflanzen, die unter diesen neuen Bedingungen gedeihen können“, sagt Chory, Co-Leiter der Harnessing Plants Initiative von Salk und Inhaber des Howard H. und Maryam R. Newman-Lehrstuhls für Pflanzenbiologie. „Wir haben Schlüsselfaktoren identifiziert, die das Pflanzenwachstum bei warmen Temperaturen regulieren, was uns dabei helfen wird, leistungsfähigere Nutzpflanzen zu entwickeln, um künftige Generationen zu ernähren.“

Weitere Autoren waren Björn Christopher Willige und Adam Seluzicki von Salk; Ondřej Novák von der Palacký-Universität und dem Institut für experimentelle Botanik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften; und Karin Ljung von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health (5R35GM122604-05_05), dem Howard Hughes Medical Institute, der Knut and Alice Wallenberg Foundation (KAW 2016.0341 und KAW 2016.0352), der Swedish Governmental Agency for Innovation Systems (VINNOVA 2016-00504) und EMBO Fellowships ( ALTF 785-2013 und ALTF 1514-2012), BARD (FI-488-13), Human Frontier Science Program (LT000222/2013-L) und Salks Pioneer Postdoctoral Endowment Fund.

DOI: 10.1038/s41467-022-32585-6