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Chronobiologie: Forscher beschreiben Gene, die Pflanzen sagen, wann sie blühen sollen

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Woher wissen Pflanzen, wann es Zeit für die Blüte ist? Dieser Frage sind Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nachgegangen und haben zwei Gene ausgemacht, die dafür maßgeblich sind. Sie konnten zeigen, dass die Gene ELF3 und GI die innere Uhr der Pflanzen kontrollieren, die Dauer des Tageslichts überwachen und so zum Beispiel den richtigen Blütezeitpunkt bestimmen. Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, Pflanzen zu züchten, die besser an ihre Umgebung angepasst sind. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift "The Plant Journal" veröffentlicht.

Auch Pflanzen haben eine innere Uhr: Am Tag betreiben sie Photosynthese und gewinnen so Energie aus dem Sonnenlicht. Nachts, wenn die Sonne nicht scheint, laufen ganz andere Prozesse ab: Viele Pflanzen wachsen dann beispielsweise deutlich mehr als am Tag. Um zwischen Tag und Nacht unterscheiden zu können, haben Pflanzen in ihren Zellen spezielle Rezeptoren, die das Sonnenlicht wahrnehmen können und bei Bedarf verschiedene Prozesse starten oder stoppen können.

"Ähnlich wie Menschen verfügen Pflanzen zudem über eine sogenannte zirkadiane Uhr. Dabei handelt es sich um ein komplexes Netzwerk aus Genen und Proteinen, mit dem Pflanzen verschiedene Prozesse zeitlich so steuern können, dass ihr Biorhythmus perfekt an den Tag-Nacht-Zyklus angepasst ist", sagt Dr. Usman Anwer vom Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der MLU. Wie Menschen reagieren Pflanzen dabei nicht nur auf äußere Einflüsse, die zirkadiane Uhr taktet den Stoffwechsel und andere Prozesse in den Pflanzenzellen so, dass sie zeitlich passend über den Tag und das Jahr ablaufen. Das heißt, Pflanzen können bestimmte Regelmäßigkeiten, wie den Wechsel von Tag und Nacht auch vorhersehen und sich entsprechend darauf einstellen. Dazu gehört zum Beispiel auch die Fähigkeit, zum richtigen Zeitpunkt mit der Blütenbildung zu beginnen. "Pflanzen orientieren sich dafür am Verhältnis von Sonnen- und Nachstunden: Einige Pflanzen blühen nur, wenn die Tage besonders lang sind. Andere dagegen nur, wenn die Nächte eine gewisse Dauer überschreiten", erklärt der Pflanzenwissenschaftler. Das sei nicht verwunderlich, schließlich blühen verschiedene Pflanzenarten zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Jahr, an denen die Tage unterschiedlich lang sind.

Die Forscher der MLU wollten in der neuen Studie verstehen, welche Gene die innere Uhr der Pflanze steuern und so die Blüte beeinflussen können. Dafür untersuchten sie zwei Gene, von denen bereits bekannt war, dass sie entscheidend für die zirkadiane Uhr sind: ELF3 und GI. "Bisher wurden die beiden Gene immer nur einzeln betrachtet. Unser Ziel war zu verstehen, wie die beiden Gene zusammenarbeiten und wie sie gemeinsam auf die zirkadiane Uhr einwirken und so beispielsweise regulieren, wann eine Pflanze blüht", so Anwer. Das Team untersuchte die Funktionsweise der beiden Gene an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand. Dafür züchteten die Wissenschaftler Pflanzen, die verschiedene genetische Defekte hatten: In einer Gruppe war das ELF3-Gen defekt, in der zweiten das GI-Gen und in der dritten Gruppe waren beide Gene ausgeschaltet. Anschließend beobachteten die Forscher, wie die Pflanzen auf unterschiedliche Lichtdauern reagierten. Dabei zeigte sich, dass die zirkadiane Uhr der Pflanzen in Bezug auf die Lichtdauer noch rudimentär funktionierte, wenn nur eines der beiden Gene defekt war. Wurden beide Gene ausgeschaltet, reagierte die Pflanze gar nicht mehr. "Die Pflanzen konnten das Licht zwar noch wahrnehmen. Allerdings konnten sie nicht mehr die Länge der Lichtdauer erkennen. Deshalb bildeten die Mutanten mit dem doppelten Gendefekt zum Beispiel keine Blüten mehr", fasst Anwer zusammen.

Das Licht sei aber nicht die einzige externe Informationsquelle für die zirkadiane Uhr, so der Forscher. Im Tages- und Jahresverlauf verändert sich auch die Umgebungstemperatur. In einem Folgeprojekt wollen die Wissenschaftler nun klären, welche Rolle die Temperatur bei der Blüte von Pflanzen spielt und ob die Temperatur die fehlenden Lichtinformationen ausgleichen kann.

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Die Erkenntnisse könnten auch für die Züchtung von Bedeutung sein: Die meisten Pflanzen sind an ihre jeweilige ursprüngliche Umgebung so angepasst, dass sie für die Blüte ein bestimmtes Verhältnis von Sonnen- und Nachtstunden benötigen. Mit den neuen Erkenntnissen ließen sich möglicherweise Pflanzen züchten, die auch an anderen Orten blühen und so gute Erträge liefern könnten.

Über die Studie: Anwer U., Davis A., David S.J., Quint M. Photoperiod sensing of the circadian clock is controlled by EARLY FLOWERING 3 and GIGANTEA. The Plant Journal (2020). Doi: 10.1111/tpj.14604 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/tpj.14604

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