Phototropismus: der Sonne entgegen

Pflanzen sind vom Sonnenlicht abhängig, daher richten sie ihre Wuchsrichtung immer zur Lichtquelle hin aus (Phototropismus). Was dabei im Inneren der Pflanze passiert, konnten Wissenschaftler nun zeigen.

Keimlinge wachsen immer dem Licht entgegen. Aber wie machen sie das eigentlich? Mit dieser Fragestellung haben sich bereits zahlreiche Wissenschaftler beschäftigt. Offenbar wachsen Zellen, die sich auf der lichtabgewandten Seite befinden, langgestreckter als auf der belichteten Seite. Infolge dessen neigt sich der Keimling zum Licht. Gesteuert wird dieser Prozess durch Pflanzenhormone.

Ein internationales Forscherteam hat nun die Zellen der Keimlinge mit speziellen Mikroskopen untersucht. Mit Hilfe von blauem Laserlicht in den Mikroskopen konnten die Wissenschaftler den Umbau zellulärer Strukturen sichtbar machen, die für die Wachstumsrichtung von Pflanzenzellen verantwortlich sind. Zu diesen Strukturen gehören auch die Mikrotubuli, die am Aufbau des Zytoskeletts von eukaryotischen Zellen beteiligt sind. Sie stabilisieren die Zelle und verleihen ihr ihre Form. Im Zusammenspiel mit anderen Proteinen sind Mikrotubuli aber auch an Bewegungen und Transporten innerhalb der Zelle beteiligt.

Dass Signale aus der Umwelt oder von pflanzlichen Hormonen zum Umorganisation der Mikrotubuli-Anordnung bei höheren Pflanzen führen, war bereits hinlänglich bekannt - die Mechanismen dieses Vorgangs jedoch nicht. „Frühere Arbeiten legten nahe, dass der Phototropin-Photorezeptor an der Neuorientierung der Mikrotubuli beteiligt sein könnte“, erklärt Anneke Hibbel, jetzt Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden den Versuchsansatz. „Wir haben ein Lasermikroskop verwendet, das Licht der Wellenlänge 491 nm ausstrahlt. Das entspricht Licht im blauen Bereich.“ Das Sonnenlicht enthält ebenfalls blaues Licht, im Wellenlängenbereich von 400 - 500 nm. „Das Sonnenlicht löst also den selben Prozess aus, den wir unter dem Mikroskop beobachtet haben“, so Anneke Hibbel.

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Neue Mikrotubuli, anders ausgerichtet

Mit Hilfe von Bildanalyse-Techniken konnten die Wissenschaftler zeigen, wie sich die Ausrichtung der Mikrotubuli unter Lichteinfluss verändert. „Bevor die Pflanze dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, sind die Mikrotubuli parallel und senkrecht zur Wachstumsachse ausgerichtet. Unter diesen Bedingungen verlängert sich die Zelle. Unter Lichteinfluss stoppt die Zelle ihr Längenwachstum. Wir vermuten, dass die Mikrotubuli die Proteine beeinflussen, die die Zellwand aufbauen“, so Hibbel.  Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich bei blauem Licht innerhalb weniger Minuten eine große Anzahl Mikrotubuli neu bilden, die allesamt senkrecht zu den bereits vorhandenen Mikrotubuli ausgerichtet sind. Genetische Untersuchungen der Forscher belegten, dass daran das Protein Katanin maßgeblich beteiligt ist. Denn Keimlinge, denen dieses Protein fehlt, können die Ausrichtung ihrer Mikrotubuli nicht ändern und nicht dem Licht entgegenwachsen.

Die Forscher konnten außerdem zeigen, wie die Keimlinge die Lichtverhältnisse wahrnehmen. Für den Prozess der Lichterkennung ist hauptsächlich ein Protein namens Phototropin verantwortlich. Dieses Protein aktiviert Katanin, welches die Mikrotubuli vornehmlich an den Stellen, an denen sie aufeinander treffen, trennen kann. Diese durchtrennten Mikrotubuli halbieren wiederum andere Mikrotubuli. Jeder Halbierungsprozess resultiert in zwei Mikrotubuli, die in dieselbe Richtung wachsen. Mikrotubuli, die senkrecht zu den bereits vorhandenen ausgerichtet sind, verursachen viele weitere Schnitte. So entstehen innerhalb von Minuten baumartige Strukturen neu ausgerichteter Mikrotubuli, die der Pflanze eine zum Licht gewandte Wuchsrichtung ermöglichen. Die Ausrichtung einer Pflanze in Richtung des Lichts geschieht also nicht, indem die Mikrotubuli innerhalb der Zelle bewegt werden, sondern indem diese zylinderartigen Strukturen auf- oder abgebaut werden.

 „Unsere genetischen Daten und frühere Studien, die die Organisation von Mikrotubuli mit dem Zellwachstum in Verbindung bringen, zeigen, dass diese Umorganisation nötig ist, wenn eine Pflanze dem Licht entgegen wachsen will“, erklärt Studienleiter David Ehrhardt die Hintergründe des sog. Phototropismus. Da das Protein Katanin auch in tierischen Zellen vorkommt, könnte die Entdeckung der Wissenschaftler generell für die Untersuchung des Aufbaus eines Zytoskelettes von Bedeutung sein.