Pflanzen im Blaulicht

Pflanzen brauchen Licht, wie wir Luft zum Atmen. Daher haben sie Mechanismen entwickelt, vor Schatten zu fliehen. Forscher liefern nun neue Erkenntnisse, wie die Schattenflucht auf molekularer Ebene ausgelöst wird: Neben dem Rotlicht- spielt auch das Blaulichtspektrum eine Rolle. Auf dem Feld und im Gewächshaus könnte sich dies als nützlich erweisen.

Wenn es ums Licht geht, kennen Pflanzen keinen Spaß. Für die maximale Lichtausbeute sind sie bereit, Wachstum und Gestalt anzupassen, um konkurrierende Nachbarn zu überholen. Phototropismus heißt die lebenswichtige Gabe, Schattenflucht das Phänomen. Zwar ist bereits vieles bekannt, dennoch kann von einem vollständigen Bild nicht die Rede sein. So fanden Pflanzenforscher jetzt heraus, dass es nicht nur vom Verhältnis von dunkelrotem (Infrarot) zu hellrotem Licht abhängt, wann Pflanzen die Schattenflucht antreten, sondern auch von der Lichtmenge im blauen Wellenlängenbereich.

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Pflanzen sehen Licht

Dass Pflanzen Licht „sehen“ und darauf reagieren können, verdanken sie einem komplexen System, das ermöglicht, Lichtverhältnisse zu erfassen, Informationen in den Zellkern zu befördern und nicht zuletzt ihre genetische Aktivität anzupassen.

Fehlendes Wissen war der Grund, warum man lange dachte, Schattenflucht hinge ausschließlich von der Dominanz von dunkelrotem gegenüber hellrotem Licht ab. Anhand von Keimlingen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana brachten die Forscher nun Licht ins Dunkel. Wissenslücken zum Import der Informationen in den Zellkern und zu den Genen, die durch den blauen Lichtimpuls aktiviert werden, konnten so geschlossen werden.

Eine neue Brücke

Mit ihrer experimentellen Arbeit konnten die Wissenschaftler eine Verbindung zwischen einem wichtigen Merkmal der Schattenvermeidung, nämlich das verstärkte Wachstum des Hypokotyls (der Abschnitt zwischen Wurzel und Keimblatt eines Keimlings), und den „Blaulichtsensoren“, die Chryptochrome, herstellen. Als lichtempfindliche Proteine gehören sie zur Gruppe der Photorezeptoren, die für die Wahrnehmung von Licht zuständig sind.

Auf der Suche nach dem Bindeglied stießen die Forscher  auf alte Bekannte: Transkriptionsfaktoren aus der Gruppe der Phytochrom-Interagierenden-Faktoren (PIF). Um die Verwunderung nachzuempfinden, muss man wissen, dass es sich bei den Phytochromen um die Rotlichtsensoren von Pflanzen handelt. Sensoren also, die auf eine ganz andere Wellenlänge des Lichts reagieren. Blaues Licht mit einer Wellenlänge 420-490 Nanometer (nm) wird auch als kurzwelliges Licht bezeichnet, während rotes Licht (650 – 750 nm) langwelliger ist.

Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Das Reaktionsmuster ist in beiden Fällen gleich: Registrieren die Photorezeptoren kritische Lichtverhältnisse in ihrem Bereich, geben sie die Information an die PIF-Transkriptionsfaktoren weiter, die auf der genetischen Ebene ein Programm zur Schattenflucht starten.

Tests bestätigten, dass Arabidopsis Pflanzen unter mangelndem Blaulicht ähnliche Schattenvermeidungsreaktionen zeigen wie unter ungünstigen Rotlichtverhältnissen, und dass die Interaktion zwischen den Cryptochromen und den Phytochrom-Interagierenden-Faktoren so direkt und reibungslos erfolgt, dass von Zufall keine Rede sein kann.

Während der Wachstumsschub bisher aber als hormongesteuert galt, fanden die Forscher in den Hypokotylzellen bei akutem Blaulichtmangel nicht mehr die typisch erhöhten Mengen des Wachstumshormons Auxin. Dafür aber jede Menge Proteine für den Zellwandaufbau, wodurch die Sprossen der Keimlinge, wenn auch nicht ganz so schnell, in die Höhe schießen.

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Wenn Pflanzen näher zusammenrücken

Eberhard Schäfer von der Universität Freiburg, der sich ebenfalls mit dem Thema Schattenflucht befasst, gibt ein Beispiel, warum die Arbeit so wichtig ist: „Versteht man, wie die Veränderungen in der Belichtung das Wachstum einer Pflanze steuern, kann man in die molekularen Vorgänge eingreifen und Pflanzen züchten, die enger auf dem Feld zusammenrücken können.“ Das Ergebnis: mehr Ertrag pro Fläche.

Neue Zutat für Lichtrezeptur

Würde man heute versuchen, ein Feld so eng wie möglich mit Getreide zu bepflanzen, würden sich die Halme bald gegenseitig in den Schatten stellen. Statt in Ruhe Körner zu bilden, also ein generatives Entwicklungsprogramm zu starten, würden sie ihre Ressourcen im Kampf um das Sonnenlicht in das vegetative Wachstum von Spross und Blättern investieren. Auch abseits der Felder, in Gewächshäusern, sind Kenntnisse zu den Präferenzen der Pflanzen in puncto Licht wichtig, wenn es an die Entwicklung von z. B. neuen energiesparenden Leuchtmitteln oder die richtige Lichtrezeptur geht. Mit ihrer Arbeit haben die Forscher somit nicht nur eine neue und wichtige Zutat entdeckt, sondern auch neues Wissen für die Pflanzenzucht geschaffen.