Treuer Reisebegleiter

Was die Pflanze dazu bringt, Blüten auszubilden war lange unklar. Es dauerte Jahrzehnte bis das maßgeblich am Blühvorgang beteiligte Gen „FT“ gefunden war. Nun ist ein weiterer Teil des lange ungelösten Rätsels aufgedeckt: Bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana unterstützt das Protein NaKR1 das, im FT-Gen kodierte, FT-Protein bei seiner Wanderung durch die Pflanze - es geleitet es von den Blättern zum Ort der Blütenbildung, der Sprossspitze. Somit wird erneut klar, dass mehrere Elemente zusammenwirken müssen, um Blüten entstehen zu lassen.

Lange Zeit rätselt man darüber, wie Pflanzen wissen wann der richtige Zeitpunkt ist, um Blüten auszubilden und wie der Vorgang genau vonstattengeht. Schon frühzeitig spekulierte man über eine „mobile Blühsubstanz“, die die Blüte auslöst.  

Das „Florigen“ war geboren, doch unauffindbar

Den Anfang machten Entdeckungen des deutschen Botanikers Julius Sachs in den 1860er Jahren. Er konnte in Experimenten nachweisen, dass Pflanzen, deren Blätter im Licht und deren Spross im Dunkeln wuchsen, dennoch in der Lage sind zu blühen. Die Blätter waren also der Schlüssel.

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Nachdem folgte die Entdeckung des Phänomens des Photoperiodismus, d. h. der Erkenntnis, dass die Tageslänge und die Nachtlänge das Wachstum und die Pflanzenentwicklung mit beeinflussen. Somit konnte man Pflanzen danach in Kurztag- und Langtagpflanzen sowie tagneutrale Pflanzen unterteilen, je nachdem wie lange die Hell- bzw. Dunkelperiode sein muss, um den Prozesse der Blütenbildung und damit den Wechsel von der vegetativen in die generative Phase in der Pflanze auszulösen.

Eng damit verknüpft waren die Erkenntnisse des russischen Wissenschaftlers Mikhail Chailakhyan. Er schloss in den 1930er Jahren aus seinen Pfropfungsexperimenten, dass in den Blättern Licht wahrgenommen wird und diese Information durch eine gebildete Substanz in den Spross gelangen musste, dem Ort an dem die Blüten sich entwickelt. Diese mysteriöse „Blühsubstanz“ taufte er auf den Namen „Florigen“. Florigen schien den Experimenten zufolge universell für die Ausbildung der Blüten zu sein - unabhängig von der benötigten Tageslänge oder der Art. Doch es sollte noch lange dauern, bis man das Prinzip dahinter aufklären konnte.

Ein Stoff allein reicht nicht

Da der unbekannte Botenstoff (Phytohormon) lange nicht gefunden werden konnte, begann man zu vermuten, dass nicht nur ein Stoff, sondern eine Kaskade von Abläufen innerhalb der Pflanze nötig ist, damit Blüten zur rechten Zeit am richtigen Ort gebildet werden.

Dank der Molekulargenetik entdeckten Forscher unter der Leitung von Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen schließlich in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana das Gen FLOWERING LOCUS T (FT). Das Gen enthält den Bauplan für das FT-Protein, das alle Eigenschaften von Florigen aufwies: Es wird in Abhängigkeit von der Tageslänge in den Blättern produziert und ist unabdingbar für die Blütenbildung. Kurz gesagt: Ohne FT keine Blüten. FT ist also das langgesuchte Florigen bzw. ein wichtiger Teil des Florigen-Komplexes. Das bedeutete aber auch, dass FT mobil sein muss.

Doch damit FT-Protein überhaupt gebildet wird, bedarf es eines weiteren Helfers: den Transkriptionsfaktor CONSTANS (CO). CO wird nur gebildet, wenn die Lichtperiode lang genug ist. Licht sorgt demnach für die Bildung von CO, der wiederum als „Genschalter“ fungiert, das FT-Gen aktiviert und damit für die Bildung von FT-Protein sorgt.

Auf Wanderschaft

Georg Coupland und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln belegten anschließend, dass das FT-Protein in den Blättern gebildet und tatsächlich zur Sprossspitze (Sprossapikalmeristem) transportiert wird. Dort bindet es an ein weiteres Protein, das FD-Protein, dass nur in den Spitzen des Sprosses gebildet wird und die Blütenbildung letztlich einleitet.

Doch wie genau gelangt das FT-Protein nun ans Ende des Sprosses? Licht ins Dunkel bringt nun eine neue Studie, die aufdeckt, dass ein weiteres Protein involviert ist.

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Ein Weggefährte bringt FT ans Ziel

Das Protein mit dem kryptischen Namen SODIUM POTASSIUM ROOT DEFECTIVE 1, kurz: NaKR1, kann an Schwermetalle binden und ist dafür bekannt, ein Transporter für Natrium (Na⁺) und Kalium (K⁺)-Ionen zu sein. Arabidopsis-Mutanten, die kein NaKR1 bilden konnten, zeigten demzufolge eine verringerte Weiterleitung von Zuckern und eine Anreicherung von Natrium und Stärke in den Blättern, interessanterweise aber auch eine verspätete Blüte unter Langtag-Bedingungen, also bei Tageslängen von über 12 Stunden.

Die Forscher betrachteten das Protein daraufhin genauer und entdeckten: Wie FT, wird auch NaKR1 durch den Transkriptionsfaktor CO aktiviert. CO sorgt dafür, dass sich unter Langtag-Bedingungen NaKR1 in den Blättern bildet. NaKR1 und FT haben ähnliche Expressionsmuster, die Gene werden also zu gleichen Zeitpunkten abgelesen, wie die Forscher berichten. Und mehr noch: NaKR1 hilft dem FT-Protein gezielt beim „Langstreckentransport“ durch das Phloem, den Nährstoffleitbahnen der Pflanzen. Das Phloem besteht aus Siebröhren, die Zucker aus der Photosynthese und andere Nährstoffe von den Blättern weiterleiten. Es dient dem FT-Protein als „Autobahn“ durch die Pflanze. NaKR1 wird demnach benötigt, um FT von den Blättern zum Spross zu transportieren, wie die Forscher in Pfropfungsexperimenten mit Arabidopsis-Pflanzen herausfanden.

Warum der Vorgang der Blütenbildung so interessant ist

Es ist wichtig, die molekularen Mechanismen des Florigen-Transports zu untersuchen, da so der Zeitpunkt der Blütenbildung nicht nur verstanden, sondern auch gezielt gelenkt und gesteuert werden kann. Vegetationsperioden von Kulturpflanzen lassen sich dadurch besser ausnutzen und Pflanzen für das Wachsen in anderen Regionen anpassen. Dieser, „Plant Adaption“ genannte, Zweig der Pflanzenforschung gewinnt weltweit an Bedeutung, da dieser eine Voraussetzung ist, um besser auf den Klimawandel, aber eben auch auf neue Nutzungsansprüche reagieren zu können.

Forscher untersuchen die inneren Abläufe, die zur Blütenbildung führen nicht nur um des Verstehens Willen. Blüten haben die Funktion, Früchte und Samen zu produzieren. Von der Natur zum Fortbestand der Art eingerichtet, sind dies genau die Organe, die geerntet werden und den Menschen das Überleben sichern. Der richtige Zeitpunkt der Blüte entscheidet über den Ertrag.

Weitere Untersuchungen sollen nur klären, ob der hier beschriebene Mechanismus auch in anderen Pflanzen zu finden ist. Denn die Forschungsergebnisse wurden ausschließlich in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana durchgeführt. Doch orthologe FT-Gene und NaKR1-ähnliche Proteine gibt es, soviel wissen die Forscher bereits durch den Vergleich von Pflanzengenomen, auch in anderen Blütenpflanzen.