Wenn die Tage länger werden…

Ein und dasselbe Protein lässt Pflanzen blühen und der Kälte trotzen

16.03.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wenn im Frühling die Wiesen zum Leben erwachen, hat das GIGANTEA-Protein seine Finger im Spiel. (Bildquelle: © Andreas Hermsdorf/ pixelio.de)
Wenn im Frühling die Wiesen zum Leben erwachen, hat das GIGANTEA-Protein seine Finger im Spiel. (Bildquelle: © Andreas Hermsdorf/ pixelio.de)

Das GIGANTEA-Protein (GI) spielt nicht nur bei der Blütenbildung eine entscheidende Rolle wie bereits bekannt war, sondern verleiht Pflanzen eine höhere Toleranz gegen Kälte. Forscher des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtung in Köln haben diese Doppelfunktion in einer aktuellen Studie nachgewiesen.

Wenn die Tage wieder länger werden und die Temperaturen langsam ansteigen, dauert es nicht mehr lange, bis die Wiesen erblühen und wieder zum Leben erwachen. Entscheidenden Einfluss hat dabei die Tageslänge. Sobald eine bestimmte Zeitspanne überschritten wird, erteilt das GIGANTEA-Protein (GI) den Startschuss für die Blütenbildung. Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtung in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Italien nachgewiesen, dass das besagte Protein auch die Widerstandskraft gegenüber Kälte steigert.

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Arabidopsis-Pflanzen (Arabidopsis thaliana), denen die Gensequenz fehlte, um das GI-Protein zu bilden, wurden in ihrer Blütenbildung beeinträchtigt.

Arabidopsis-Pflanzen (Arabidopsis thaliana), denen die Gensequenz fehlte, um das GI-Protein zu bilden, wurden in ihrer Blütenbildung beeinträchtigt.

Bildquelle: © Sui-setz/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Der Einfluss auf die Blütenbildung

Anfang der Neunziger fanden Forscher heraus, dass Arabidopsis-Pflanzen (Arabidopsis thaliana), denen das Gen zur Bildung des GI-Proteins fehlte, Probleme hatten, die Tageslänge richtig wahrzunehmen. Dies hatte zur Folge, dass die Blütenbildung verzögert wurde. Auch im Rahmen der aktuellen Studie nutzten die Forscher die Modellpflanze, um den Einfluss des GI-Proteins auf andere Prozesse zu untersuchen, indem sie erneut Arabidopsis-Pflanzen verglichen, von denen einige nicht in der Lage waren, das Protein zu bilden.

GIGANTEA lässt Pflanzen der Kälte trotzen

Es zeigte sich, dass bei denjenigen Pflanzen, denen das GI-Protein fehlte, jene Gene eine höhere Aktivität zeigten, die normalerweise bei Kälte aktiv sind und dafür sorgen, dass Schutzmaßnahmen in Gang gesetzt werden. Dazu zählt unter anderem die Bildung von molekularen Verbindungen, die von Pflanzen in Stresssituationen, wie Trocken-, Hitze- oder eben Kältestress, vermehrt gebildet werden, um die Pflanzenzellen vor Schäden zu schützen.

Das GI-Protein unterdrückte bzw. regulierte beipielsweise die Expression von Genen, die für die Bildung von Saccharose-Molekülen (Zucker) verantwortlich sind. Eine Überzuckerung der Pflanzenzellen bewirkt nämlich, dass der Gefrierpunkt gesenkt und ein schnelles Auskristallisieren des Wassers verhindert wird. Für die Pflanzenzellen wie auch für die Pflanze selbst ist dies überlebenswichtig, da die spitzen und scharfen Eiskristalle in der Lage wären, die Pflanzenzellen zu durchbohren und zu zerstören.

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Wie der Mensch besitzen auch Pflanzen eine innere Uhr. Auch sie passen ihre Aktivitäten an den Tag- und Nacht-Wechsel an.

Wie der Mensch besitzen auch Pflanzen eine innere Uhr. Auch sie passen ihre Aktivitäten an den Tag- und Nacht-Wechsel an.

Bildquelle: © Robert Koehn /pixelio.de

Frühlingsnächte sind kalt

Die Kopplung beider Prozesse, sowohl die Einleitung der Blütenbildung als auch die Steigerung der Widerstandskraft gegenüber Kälte, machen daher im Frühling absolut Sinn. Denn gerade dann, wenn die Tage langsam länger werden und die Blütephase beginnt, sind die Tage bereits warm, die nächtlichen Temperaturen dagegen noch sehr niedrig. Denn so wie sich eine Blütenpflanze ohne Blüte nicht vermehren kann, muss sie auch in der Lage sein, die ersten Frühlingstage zu überleben.  Nicht selten sind die ersten blühenden Pflanzen im Frühjahr bei Sonnenaufgang noch mit Raureif bedeckt. Voraussetzung ist jedoch, dass beide Prozesse zum richtigen Zeitpunkt ablaufen. Wie kann die Kopplung daher mit nur einem einzigen Protein gelingen

Taktgeber für die innere Uhr

Die Bildung des GI-Proteins erfolgt in einem wiederkehrenden und regelmäßigen 24-Stunden-Rhythmus, Wissenschaftler sprechen dabei von einem diurnalen Rhythmus: Der Höhepunkt der Proteinherstellung wird jeweils acht bis zehn Stunden nach Sonnenaufgang erreicht. Danach sinkt die Proteinmenge ab, sodass die Pflanze in der Nacht wieder gegen die Kälte gewappnet ist. Und das jeden Tag aufs Neue. Weil die Herstellung des Proteins von der Tageslänge abhängt, hilft das Protein dabei, dass die innere Uhr der Pflanze, der circadiane Rhythmus, mit den Tag- und Nachtlängen Schritt hält, welche sich laufend verändern.

Als Mitglied der Klasse der Photorezeptor-Proteine (Phytochrome), ist das GI-Protein in der Lage, auf Lichtreize zu reagieren, genau genommen auf unterschiedliche Wellenlängen. Andere Prozesse, die lichtabhängig sind, wie z. B. das Ergrünen der Blätter oder die Schattenflucht, werden so auf indirekte Weise reguliert. Dies ist auch bei der Blütenbildung der Fall: Statt die Blütenbildung selbst zu steuern, erhöht das GI-Protein die Genaktivität der daran beteiligten Gene, wie z. B. das „Blühzeitpunkt-Gen“ CONSTANS (CO). Aufgrund der Bedeutung für gleich mehrere überlebenswichtige Prozesse des aus 1.173 Aminosäuren bestehenden GI-Proteins, ist dessen Gensequenz bei Samenpflanzen hoch konserviert und findet sich quasi unverändert in unterschiedlichen Pflanzenspezies wieder.

Wie Wildpflanzen in kalten Regionen

„Unsere Versuche zeigten, dass die Widerstandskraft gegenüber Kälte stieg, sobald das GI-Protein fehlte. Ob eine höhere GI-Proteinkonzentration im Umkehrschluss die Anfälligkeit gegenüber Kälte erhöht, muss jedoch noch geklärt werden“, fasst Fabio Fornara, Hauptautor der Studie, zusammen und fährt fort, „Von den Fähigkeiten her ähnelten die Arabidopsis-Pflanzen, denen das GI-Protein fehlte, Wildpflanzen, die an Kälte gewöhnt und angepasst sind. Und das, obwohl die Arabidopsis-Pflanzen vorher noch nie kalten Temperaturen ausgesetzt waren“.

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Auch die Antarktische Schmiele (Deschampsia antarctica), eine von zwei Blütenpflanzen, die in der Antarktis leben, schützen sich u. a. durch Überzuckerung vor Kälte.

Auch die Antarktische Schmiele (Deschampsia antarctica), eine von zwei Blütenpflanzen, die in der Antarktis leben, schützen sich u. a. durch Überzuckerung vor Kälte.

Bildquelle: © Lomvi2/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Nachdem die Forscher diesen Zusammenhang anhand der Genaktivität nachgewiesen haben, wird es im nächsten Schritt darum gehen, die biochemischen Mechanismen und Abläufe genauer zu erforschen. Jedoch steht für sie bereits jetzt fest, dass das GI-Protein eine Schaltstelle darstellen muss, von der weitaus mehr Prozesse angestoßen werden, als nur die Blütenbildung.

Widerstandskraft gegenüber Kälte erhöhen

Das Wissen um die Funktionen des GI-Proteins könnte der Pflanzenforschung und -züchtung in Zukunft dabei helfen, neue Sorten von Nutzpflanzen zu entwickeln. Zum einen, um Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegenüber Temperaturschwankungen zu machen, zum anderen, um neue Anbauregionen in kälteren Gebieten zu erschließen. Durch die tageszeitabhängige Kopplung der Kältetoleranz mit der Blütenbildung, kann die kürzere Vegetationsperiode in den Polregionen der nördlichen und südlichen Hemisphäre besser ausgenutzt werden. Voraussetzung ist jedoch, dass zuerst die biochemischen Abläufe auf der molekularen Eben aufgeklärt werden. Erst dann wird es möglich sein, die Kältetoleranz zu erhöhen, ohne den Prozess der Blütenbildung zu beeinträchtigen.

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