Frühaufsteher

Viele Pflanzen wachsen in den frühen Morgenstunden am schnellsten, aber wie genau die innere Uhr von Pflanzen tickt war bislang ein Rätsel. Kalifornische Wissenschaftler haben einen Eiweiß-Komplex entdeckt, der das nächtliche Pflanzenwachstum zeitgenau steuert.

Viele Landwirte wissen es aus eigenen Beobachtungen: Viele Pflanzen wachsen nachts und in der Morgendämmerung am schnellsten. Eine innere Uhr scheint Ihnen pünktlich anzugeben, wann der Zeitpunkt für den nächsten Wachstumsschub gekommen ist. 

Wie es Pflanzen schaffen, ihr Wachstum und andere Prozesse nach einem 24 Stunden Rhythmus auszurichten, beschäftigt Wissenschaftler bereits seit dem 18. Jahrhundert. Schon damals beobachtete der Astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan an Heliotrop-Pflanzen, dass sich deren Blätter tagsüber stets nach der Sonne ausrichteten und nachts zusammenfalteten - auch wenn er die Pflanzen in völlige Dunkelheit sperrte. 

Mittlerweile weiß man, dass diese innere Uhr durch ein Zusammenspiel molekularer Regulatoren gestellt wird. Der molekulare Schrittmacher besteht aus Uhren-Genen und Uhren-Proteinen, die durch das Tageslicht als Zeitgeber-Signal reguliert werden. Je nach Tageszeit schaltet das molekulare Uhrwerk eine große Anzahl von Genen an oder ab, und synchronisiert so den Stoffwechsel und das Verhalten von Pflanzen mit dem Wechsel von Licht und Dunkelheit. Da diese innere Uhr mit einer Periode von ungefähr 24 Stunden (lateinisch circa dian „ungefähr ein Tag“) schwingt, wird sie auch als „circadiane Uhr“ bezeichnet.  

Der Abendkomplex: Ein Protein-Trio entsteht bei Sonnen-untergang

Wie genau die unterschiedlichen molekularen Rädchen dieses Uhrwerks ineinander greifen, um das Pflanzenwachstum tages-rhythmisch zu steuern, ist allerdings nach wie vor ungeklärt. Auf diesem Gebiet ist kalifornischen Forschern jetzt ein Durchbruch gelungen.

Die Wissenschaftler um Steve Kay, Leiter der Fakultät für Biowissen-schaften an der University of California, San Diego, haben einen Eiweiß-Komplex entdeckt, der für die zeitgenauen, nächtlichen Wachstumsschübe von Pflanzen verantwortlich ist. Dabei handelt es sich um ein Protein-Trio, dass aus den Faktoren Early Flowering 3 (ELF3), ELF4 und dem Genregulator LUX Arrhythmo (LUX) besteht.

„Die Gene dieser drei Eiweiße waren für uns zunächst von großem Interesse, weil Mutationen in jedem von Ihnen den biologischen Rhythmus der Pflanzen zerstörten und eine besonders hohe Sprossachse oder ein vorzeitiges Blühen der Pflanzen hervorriefen“, erinnert sich Steve Kay. „Das war für uns ein erster Hinweis, dass zwischen den drei Proteinen ein Zusammenhang bestehen könnte.“ 

An der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana beobachteten die Forscher, dass alle drei Gene immer in der Abenddämmerung besonders aktiv waren und die höchste Menge an ELF3-, ELF4- und LUX-Proteinen produzierten.

Erste Experimente in Hefezellen zeigten, dass die drei Faktoren tatsächlich in spezifischer Weise miteinander interagieren. ELF3 funktioniert dabei wie ein Adapter, der die Proteine ELF4 und LUX verbindet. Die LUX-Komponente wiederum, bei der es sich um ein bekanntes DNA-Bindeprotein handelt, ermöglicht dem Komplex ein direktes Andocken an die Erbsubstanz der Pflanze. Den neu entdeckten Protein-Komplex tauften die Forscher „Abendkomplex“ (Evening Complex), denn die Verbindung der drei Faktoren, so zeigten weitere Untersuchungen in Arabidopsis, fand immer in den Abendstunden statt.

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Der Abendkomplex fungiert als Wachstumsbremse 

Um seiner Bedeutung für die circadiane Steuerung des Pflanzenwachstums auf die Spur zu kommen, isolierte das Team den Protein-Komplex zu verschiedenen Tages- und Nachtzeiten aus den Versuchspflanzen und untersuchte seinen Einfluss auf die Regulation von Wachstumsgenen. Der Abendkomplex, so zeigte sich, bindet direkt an die DNA und blockiert zwei wichtige Wachstumsgene, PIF4 und PIF5, die das Wachstum des unteren Teils der Sprossachse, das sogenannte Hypokotyl, steuern.

Diese Ergebnisse erklären auch, warum Mutationen der Abendkomplexgene diesen Teil der Sprossachse schneller wachsen lassen, als bei Wildtyppflanzen. „Der Proteinkomplex agiert wie eine Wachstumsbremse“, erklärt Kay. „Was wir gezeigt haben ist, dass der Abendkomplex am Ende des Tages und während der frühen Nacht die Pflanze am Wachstum hindert. Nimmt der Gehalt des Komplexes in den frühen Morgenstunden ab, löst sich die Wachstumsbremse. Gene wie PIF4 und PIF5, die das Wachsen der Sprossachse unterstützen, werden daraufhin angeschaltet.“ 

Warum Pflanzen nachts schneller wachsen als tagsüber, ist allerdings noch nicht genau geklärt. Pflanzenforscher vermuten, dass sie auf diese Weise ihr Wachstum mit der Verfügbarkeit ihrer Ressourcen koordinieren. Tagsüber speichern Pflanzen die gewonnene Energie aus der Photosynthese als Stärke und Proteine. Nachts werden diese für das Wachstum abgebaut und stellen Stickstoff und Kohlenstoff zur Verfügung. „Es wäre nicht vorteilhaft, wenn Pflanzen stetig wachsen würden, ohne ihre Ressourcen anzupassen, die nur zyklisch während der Photosynthese hergestellt werden.“, sagt Kay. Einige Nutzpflanzen, wie beispielsweise Mais oder Hirse, können jede Nacht bis zu einem Zentimeter an Länge gewinnen. 

Lässt sich durch ein Drehen am Uhrwerk die Biomasseproduktion optimieren?

In ihrer Entdeckung sehen die Forscher neue Anwendungsmöglich-keiten, um das Wachstum von Nutzpflanzen zu kontrollieren. „Die molekulare Uhr der Pflanzen kontrolliert in den USA jede Nacht den Aufbau von mehreren Millionen Tonnen Biomasse. Jetzt, wo wir wissen welches die Gas- und Bremshebel sind, um dieses Wachstum zu kontrollieren, können wir sie dementsprechend manipulieren und so die Produktion von Biomasse maximieren.“ Darüber hinaus reagierten Pflanzen, denen Komponenten des Abendkomplexes fehlten, besonders empfindlich auf Kältestress. In zukünftigen Studien will das Team testen, ob eine Manipulation des Abendkomplexgehaltes besonders kälteresistente Pflanzen hervorbringen könnte.

In fast allen lebenden Organismen befinden sich innere Zeitmesser, die Schlaf-Wachrhythmen, Hormonausschüttung, Körpertemperatur und viele andere Prozesse steuern. Die Genetikerin des amerikanischen National Institutes of Health (NIH) Laurie Thompkins sieht in der Ackerschmalwand ein wichtiges Model für die Erforschung dieser biologischer Rhythmen. „Die inneren Uhren von Lebewesen funktionieren auf mehr oder weniger die gleiche Art und Weise, aber manche Aspekte dieser Funktionen lassen sich in Pflanzen einfacher untersuchen.“

Beim Menschen fungieren beispielsweise Cryptochrome als Blaulicht-Rezeptoren, die für einen normalen Tagesrhythmus wichtig sind. Schädigungen ihrer Funktion können zu Schlafstörungen und Depressionen führen. Solche Erkenntnisse wurden erst durch Untersuchungen in Arabidopsis möglich, in der die Cryptochrom-Gene zuerst entdeckt wurden.