Wie Pflanzen ihrem Schattendasein entkommen

Auch für Pflanzen ist das Leben ein täglicher Kampf um Ressourcen. Dazu gehört beispielsweise auch der ständige Wettstreit um Licht mit den Nachbarpflanzen. Um nicht von der Konkurrenz überwuchert zu werden, haben Pflanzen die Fähigkeit entwickelt, stets dem Licht entgegen zu wachsen. Auf Schatten reagieren sie mit Wachstumsschüben - gerade so viel, um die konkurrierende Nachbarschaft abzuschütteln und wieder zu besseren Lichtverhältnissen zu gelangen.

Dass lichtabhängiges Wachstums durch Pflanzenhormone reguliert wird, ist bereits seit den 1930er Jahren bekannt. Bei Keimlingen bewirkt beispielsweise eine ungleiche Verteilung von Auxinen, dass Zellen, die sich auf der lichtabgewandten Seite befinden, langgestreckter wachsen als auf der belichteten. Die Pflanze neigt sich deshalb zum Licht.

Darüber wie genau Pflanzen die Produktion von Wachstumshormonen an die herrschenden Lichtverhältnisse anpassen war bisher jedoch noch wenig bekannt. Jetzt haben Wissenschaftler das Signalmolekül entdeckt, mit dessen Hilfe Pflanzen die Information von Schatten und Licht in ein hormonelles Programm übersetzten.

Schattensensoren zeigen konkurrierende Nachbarpflanzen an

In lichtliebenden Arabidopsis-Pflanzen untersuchten die Wissenschaftler wie schattige Lichtverhältnisse die Aktivität bestimmter Gene auslösen. Demnach können Pflanzen die Entfernung ihrer konkurrierenden Nachbarn durch spezialisierte Schattensensoren wahrnehmen.

Lichtrezeptoren der Phytochrom B-Familie (PHYB) messen Schatten durch das Verhältnis von Infrarotstrahlung und rotem Licht. Während die roten Wellenlängen bei voller Sonneneinstrahlung dominieren, ändert sich dieses Verhältnis wenn das Sonnenlicht durch benachbarte Pflanzen abgeschirmt wird. Deren Zellwände reflektieren vermehrt Infrarotstrahlung und der Chlorophyll-haltige Zellsaft absorbiert das Rotlicht. Das Verhältnis von Rotlicht zu Infrarotlicht wird an schattigen Plätzen demnach kleiner.

Ohne PIF7 bleiben Pflanzen an schattigen Plätzen kleinwüchsig

Bei Schatten werden die PHYB-Rezeptoren durch das verringerte Rotlicht-Infrarotlich Verhältnis inaktiviert während sie bei Sonneneinstrahlung durch Rotlicht aktiviert werden. Diese aktive Form wandert in das Cytosplasma der Zelle und löst dort den Abbau genaktivierender Faktoren, den Phytochrome Interacting Factors (PIF) aus.

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Bei einem Anstieg der Infrarotstrahlung im Schatten bleibt PHYB jedoch inaktiv und die PIFs reichern sich in der Zelle an. Eine besondere Rolle spielt dabei der Faktor PIF7. Wie die Wissenschaftler herausfanden, bindet er direkt an die DNA und aktiviert mehr als 150 Arabidopsis-Gene, von denen die Mehrheit die Auxin-Produktion ankurbelt. Die Pflanze beginnt in die Höhe zu schießen. Ohne PIF7 blieben Pflanzen im Schatten dagegen kleinwüchsig und aktivierten diese Gene nicht mehr.

Bessere Erträge durch „schattentolerantere“ Pflanzen

PIF7 stellt demnach das Verbindungsglied zwischen den Lichtverhältnissen und der Aktivierung des Auxin-Signalweges dar. Auf diese Weise können Pflanzen ihr Wachstum und ihre Architektur an unterschiedliche Lichtverhältnisse und den herrschenden Konkurrenzdruck durch die Nachbarpflanzen anpassen.

Optimale Lichtverhältnisse beeinflussen auch die Erträge von Kulturpflanzen. Fristen Pflanzen über einen längeren Zeitraum ein Schattendasein, leitet sie ein Rettungsprogramm ein, das sich ungünstig auf deren Erträge auswirkt. Die Pflanzen blühen früher und tragen weniger Samen als ihre Nachbarn auf den Sonnenplätzen. Diese sogenannte Schattenvermeidungsstrategie soll vermutlich dazu beitragen, dass möglichst schnell Nachkommen gezeugt werden, die dann hoffentlich auf sonnigeren Plätzen landen. Bei Nutzpflanzen, die beispielsweise in dichten Reihen gepflanzt werden, führt dieser Mechanismus jedoch zu Ernteeinbußen.

Mit den neuen Erkenntnissen, so glauben die Autoren der Studie, ließe sich die Schattenvermeidungsstrategie möglicherweise umgehen. Stattdessen könnten auf diese Weise neue Pflanzensorten gezüchtet werden, deren Architektur besser an schattige Plätze angepasst ist.

Quellen:
Li, L. et al. (2012): Linking photoreceptor excitation to changes in plant architecture. In: Genes and Development, (April 2012), doi:10.1101/gad.187849.112.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

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• Stammzellenentwicklung durch Auxin
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Titelbild: In der Ackerschmalwand entdeckten Forscher wie Pflanzen Lichtinformation in ein hormonelles Programm übersetzen. (Bildquelle: © Salk Institute for Biological Studies)