Partner des Florigens entdeckt

Es dauerte fast 80 Jahre, bis das Gen entdeckt wurde, das den Blühvorgang einer Pflanze einleitet. Nun haben Wissenschaftler auch die Partner gefunden, die nötig sind, um Pflanzen genau zum richtigen Zeitpunkt blühen zu lassen.

Unübersehbar hat der Frühling begonnen und wie in jedem Jahr haben Frühblüher wie Narzissen und Tulpen bereits die ersten Insekten angelockt. „Frühlingsanfang“ steht Ende März in unseren Kalendern, doch woher wissen Pflanzen eigentlich, dass es Zeit zum Blühen ist?

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Den Blühvorgang einzuleiten, ist eine (über-)lebenswichtige Entscheidung für Blütenpflanzen. Denn die Blüte ist Ausgangspunkt für eine erfolgreiche Reproduktion und damit für den evolutionären Erfolg einer Art. Blüht eine Pflanze, wenn die Umweltbedingungen ungünstig sind, stehen ihre Fortpflanzungschancen schlecht. Nur wenn die Tageslänge, die Temperatur und die Nahrungssituation ideal sind, lohnt sich der aufwendige Prozesse der Blütenbildung. Bei Pflanzen, die durch Pollen von Artgenossen bestäubt werden, ist zudem entscheidend, dass diese zur selben Zeit blühen wie ihre Nachbarn. 

Ein wesentlicher Faktor dabei ist die Tageslänge, die die Modellpflanze Arabidopsis thaliana über die Blätter wahrnehmen. Unter Langtagbedingungen führt ein Zusammenspiel aus Lichtrezeptoren und anderen Proteinen dazu, dass im Zellkern der Blätter der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) das Gen FLOWERING LOCUS T (FT, syn. Florigen) abgelesen wird. Das FT-Protein wandert bis in die Sprossspitze und bewirkt, dass anstelle der Blätter nun Blüten gebildet werden.

Dass es das „Blühhormon“ Florigen gibt, vermuteten Wissenschaftler schon vor rund 80 Jahren. Das FT-Gen wurde im Jahr 1999 entdeckt. Damals war jedoch noch nicht bekannt, dass es sich dabei um den lang gesuchten Blüteninduktor Florigen handelt. Dieser Zusammenhang wurde erst weitere fünf Jahre später geklärt. Weil das Florigen für alle Blütenpflanzen von essentieller Bedeutung ist, wurde es intensiv beforscht. Die Untersuchungen zeigten, dass das kleine, mobile Protein in einem Komplex wirkt, den die Forscher als “Florigen-Aktivierungs-Komplex“ bezeichnen. Mit welchen Molekülen das Florigen-Protein jedoch genau zusammenspielt, um die Blütenbildung zu starten, war bisher kaum verstanden.

Phospholipid stößt Blühvorgang an

Ein Team aus Wissenschaftlern unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Züchtungsforschung in Köln und der Universität Bonn konnten nun erstmals zeigen, dass das Florigen-Protein im Tag-Nacht-Rhythmus an ein Phospholipid bindet und so den Blühvorgang beschleunigt. Die Wissenschaftler gehen nun davon aus, dass der Blühzeitpunkt auch durch Lipide beeinflusst wird.

Die Sequenzähnlichkeit zu dem Säugetierprotein Phosphatidylethanolamin-Bindungsprotein (PEBP) sowie die dreidimensionale Struktur des Florigen-Proteins ließen die Forscher vermuten, dass Phospholipide mögliche Bindungspartner des Blühproteins sein könnten. Phospholipide setzen sich aus einem hydrophilen, wasseranziehenden Kopf und zwei hydrophoben, wasserabweisenden Kohlenwasserstoffschwänzen zusammen.

Die Wissenschaftler testeten nun verschiedene, in Pflanzen vorkommende Phospholipide auf ihre Bindungsfähigkeit an das Florigen-Protein. Bei Phosphatidylcholin wurden sie fündig. „Phosphatidylcholin ist eigentlich ein Lipid der Zellmembranen, und kommt auch bei Menschen und Tieren vor. Dieses Lipid enthält jeweils zwei Fettsäuren, die verschieden sein können. Somit ergeben sich eine Reihe von Phosphatidylcholin-Arten mit verschiedenen Fettsäurekombinationen“, erklärt Peter Dörmann vom Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Universität Bonn.

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Konzentration an Phosphatidylcholin reguliert Zeitpunkt der Blüte

Um zu klären, welche Rolle Phosphatidylcholin beim Blühvorgang von Pflanzen spielt, veränderten die Wissenschaftler die Expression von Genen der Phosphatidylcholin Biosynthese derart, dass die Pflanzen unterschiedliche Mengen an Phosphatidylcholin in bestimmten Blütenteilen herstellten. So konnten sie zeigen, dass ein Anstieg an Phosphatidylcholin in Bereichen, in denen auch Florigen aktiv ist, den Blühvorgang fördert. Mit abnehmender Menge an Phosphatidylcholin verzögerte sich auch der Zeitpunkt der Blüte. Dieser Effekt war schwächer, wenn das Florigen genetisch inaktiviert war. Wann die Pflanze anfängt zu blühen, hängt also offenbar auch von der Konzentration des Phospholipids ab.

Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass in der Nacht andere Phosphatidylcholin-Arten zugegen waren als während des Tages. Dabei banden die nächtlichen Arten weniger gut an das Florigen-Protein als die Phosphatidylcholin-Arten, die tagsüber gebildet wurden. Wenn die Forscher die Menge der nachaktiven Phosphatidylcholin-Arten künstlich während des Tages erhöhten, verzögerte sich die Blütenbildung, obwohl das Florigen-Protein vorhanden war. „Unsere Daten zeigen, dass die Bindung von Florigen an die Tag-dominanten Phosphatidylcholin-Arten wichtig sind für einen frühen Blühzeitpunkt“, so Dörmann.

Die Ackerschmalwand hat ein vergleichsweise überschaubares und einfach strukturiertes Genom. Lassen sich die Erkenntnisse, die über Signalwege und Regulatoren in den Modellpflanze gewonnen wurden, auch auf komplex aufgebaute Nutzpflanzen wie Reis, Mais oder Weizen übertragen, könnten Züchtungsforscher die Blühperiode von Nutzpflanzen gezielt steuern und Nutzpflanzen an bestimmte Standorte mit diversen Umweltbedingungen anpassen.