Wie sich Pflanzen schnell an veränderte Umweltbedingungen anpassen

Wie sich Pflanzen schnell an veränderte Umweltbedingungen anpassen

Salk-Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Schatten konkurrierender Pflanzen im Blätterdach bereits nach fünf Minuten zelluläre Veränderungen auslöst

LA JOLLA – Wissenschaftler – und Gärtner – wissen seit langem, dass Pflanzen größer werden und früher blühen, wenn sie von dicht wachsenden Nachbarn beschattet werden. Nun haben Forscher des Salk Institute erstmals das detaillierte Innenleben dieses Prozesses aufgezeigt.

Die Studie wurde am 17. Juni 2021 in veröffentlicht Nature Geneticsbietet ein neues Verständnis dafür, wie die Genaktivität das Pflanzenwachstum steuert und wie schnell Pflanzen auf ihre Umgebung reagieren – wobei wechselnde Lichtbedingungen in nur fünf Minuten molekulare Veränderungen auslösen. Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie sich der Ertrag steigern und die weltweite Nahrungsmittelproduktion sichern lässt, wenn der Klimawandel die Ackerfläche des Planeten schrumpft.

„Dieser Artikel zeigt in hoher Auflösung, wie Pflanzen auf subtile Umweltveränderungen auf zellulärer Ebene reagieren“, sagt der Mitautor Johanna Chory, Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory in Salk, Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Inhaber des Howard H. and Maryam R. Newman Chair in Plant Biology. „Arbeiten, die aufzeigen, wie sich Pflanzen an größere Umweltbelastungen anpassen können, werden von entscheidender Bedeutung sein, da sich die Auswirkungen des Klimawandels verstärken.“

Pflanzen im Schatten wachsen schneller und höher, um das Blätterdach zu durchbrechen und mehr Licht zu erreichen. Gleichzeitig führen schattige Wachstumsbedingungen dazu, dass sie früher als normal blühen und Samen produzieren, um andere Pflanzen zu übertreffen. Diese Reaktionen könnten für Wildblumen, die auf einer Wiese wachsen, hilfreich sein, aber auf landwirtschaftlichen Betrieben können sie die Produktion verringern und zu bitteren, minderwertigen Ernten führen – wie jeder Gärtner weiß, dessen Salat ausgefallen ist.

In der neuen Studie untersuchten die Forscher die Rolle spezifischer Transkriptionsfaktoren bei der Aktivierung dieser Wachstumsreaktion. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die durch Bindung an die DNA Gene ein- oder ausschalten.

Das Team arbeitete mit mutierten Sämlingen, denen Transkriptionsfaktoren namens PIFs (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs) fehlten. Wenn sie diese Pflanzen in einer Umgebung züchteten, die Schatten simulierte, verlängerten sich die Pflanzen ohne bestimmte PIFs nicht und beschleunigten ihr Wachstum nicht, sondern wuchsen stattdessen normal weiter, als ob sie in vollem Sonnenlicht stünden. Zuvor zeigte das Chory-Labor, dass PIF7 die wichtigste Rolle bei der Regulierung des schattenbedingten Wachstums spielt.

Anschließend untersuchten die Forscher die Rolle von Histonen in diesem Prozess genauer, insbesondere der Histonvariante H2A.Z. Histone sind Proteine, die wie Spulen für DNA-Stränge wirken. Wenn Histone ausgetauscht oder verändert werden, können sie bestimmte Gene aktivieren oder unterdrücken.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass der Schatten des Blätterdachs durch die DNA-Bindung von PIF2 zur Entfernung des Histons H7A.Z an wachstumsregulierenden Genen führte, was wiederum deren Expression aktivierte.

Durch die Verwendung sehr kurzer Zeitintervalle für ihre Experimente fanden die Forscher heraus, dass PIF7 aktiviert wird, seine Zielgene bindet und die Entfernung von H2A.Z einleitet, und das alles innerhalb der ersten 5 Minuten, nachdem die Pflanze Schatten im Blätterdach erfährt.

„Unsere Studie beschreibt einen weiteren Schritt hin zu einem mechanistischen Verständnis darüber, wie Pflanzen ihre Genexpression als Reaktion auf eine sich verändernde Umwelt verändern“, sagt der Mitautor Josef Ecker, ein Forscher des Howard Hughes Medical Institute und Professor im Genomic Analysis Laboratory von Salk.

Frühere Studien hatten gezeigt, dass PIFs und H2A.Z eine wichtige Rolle bei den Reaktionen von Pflanzen spielen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind; Allerdings war der Zeitpunkt der Ereignisse nicht bekannt, bemerkt Co-Autor Björn Willige, ein Forschungsspezialist des Howard Hughes Medical Institute im Chory-Labor.

„Unsere Studie deckt den Mechanismus im Detail auf und zeigt auch die Schnelligkeit der Reaktion. Wir haben herausgefunden, dass PIF7, wenn es aktiv ist, an DNA bindet. Und unsere Daten deuten darauf hin, dass dies zur Entfernung von H2A.Z aus der DNA führt. Anschließend werden Gene aktiviert, die dann ein Wachstum induzieren, um die benachbarten Pflanzen zu übertreffen“, sagt Willige.

Die Geschwindigkeit des Prozesses war unerwartet, sagt Co-Autor Mark Zander, Assistenzprofessor am Waksman Institute of Microbiology der Rutgers University. Er stellte fest, dass die Histonlandschaft nicht nur innerhalb von fünf Minuten die Stressreaktion auslöste, sondern sich auch schnell erholte, wenn der Schatten entfernt wurde.

„Als wir den Schatten entfernten, normalisierten sich die H2A.Z-Spiegel an den PIF7-Zielgenen innerhalb von 30 Minuten wieder“, sagt er. „Ich war überrascht, wie dynamisch der Prozess ist, was wirklich die Grundlage für die Eleganz unserer Studie ist.“

PIFs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum, der Entwicklung und der Schädlingsabwehr von Pflanzen. Daher hofft das Team, dass seine Ergebnisse auf andere Pflanzenreaktionen übertragen werden können, die für Landwirte wichtig sind, insbesondere im Hinblick darauf, Pflanzen dabei zu helfen, widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu werden. Das Salk Institute Initiative Nutzpflanzen möchte zur Bewältigung des Klimawandels beitragen, indem die natürliche Fähigkeit von Pflanzen, Kohlenstoff einzufangen und zu speichern, optimiert wird.

Weitere Autoren der Studie waren Chan Yul Yoo von der Oklahoma State University; Amy Phan, Renee M. Garza, Shelly A. Trigg, Yupeng He, Joseph Nery und Huaming Chen von Salk; und Meng Chen von der University of California, Riverside.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation, dem US-Energieministerium, der Gordon and Betty Moore Foundation, den National Institutes of Health, dem Howard Hughes Medical Institute, der European Molecular Biology Organization, dem Human Frontier Science Program und der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

DOI: 10.1038/s41588-021-00882-3