Zucker steuert innere Uhr

Auch Pflanzen müssen ihre innere Uhr dem Jahresverlauf anpassen. Dass sie dazu Zuckermoleküle als Zeitgeber verwenden, haben Forscher bereits vermutet. Jetzt konnte auch ein entsprechender Signalweg nachgewiesen werden.

Wenn unsere innere Uhr durch eine Flugreise plötzlich falsch geht, bringt das den gesamten Körper buchstäblich aus dem Takt. Auch Pflanzen besitzen eine innere Uhr, die ihre circadiane Rhythmik steuert – und die kontinuierlich an die unterschiedlichen Tageslängen im Verlauf eines Jahres angepasst werden muss. Dadurch können Pflanzen zur richtigen Zeit ihre Blüten öffnen und zur Flugzeit ihrer Bestäuber besonders viele Duftstoffe verströmen. Außerdem können sie ihren Energiehaushalt so steuern, dass sie die photosynthesefreie Nacht überstehen.

Zucker als Messgröße

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Jüngere Studien hatten bereits nahegelegt, dass photosynthetisch erzeugte Zucker der Taktgeber der inneren Uhr sein könnten. „Die Pflanze misst kontinuierlich die Zuckermenge in den Zellen und nutzt diese Information für die erforderlichen Anpassungen“, erklärt Mitautor Antony Dodd von der Universität Bristol. Aber ob die Zuckermoleküle direkt oder über einen Signalweg wirken, blieb zunächst unklar. Am Beispiel der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana konnten Dodd und seine Kollegen nun zeigen, wie die circadiane Rhythmik synchronisiert wird.

Sie wussten bereits, dass die Transkription des an der circadianen Rhythmik beteiligten Gens PSEUDO RESPONSE REGULATOR7 (PRR7) sich abhängig von Saccharose verändert. Also schauten sie sich an, wie dieses Gen genau reguliert ist. Dabei stießen sie auf den Transkriptionsfaktor BASIC LEUCINE ZIPPER63 (bZIP63). Seine maximale Konzentration erreichte bZIP63 bei konstantem Licht immer kurz vor der maximalen Genaktivität von PRR7. Tatsächlich zeigte sich, dass bZIP63 an eine Promoter-Region von PRR7 bindet. Weitere Versuche bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen ergaben, dass bZIP63 höchstwahrscheinlich die Transkription von PRR7 hochreguliert, wenn energiearme Bedingungen in der Zelle vorliegen.

Kinase als Messwerkzeug

Damit fehlte jedoch noch die entscheidende Verbindung zwischen bZIP63 und der Zuckerkonzentration. Hier kam das Kinase SnRK1 ins Spiel. Die Untereinheit KIN10 der Kinase reguliert den Transkriptionsfaktor bZIP63 und damit indirekt das circadiane Gen PRR7.

Den experimentellen Nachweis erbrachten die Forscher, indem sie die Untereinheit überexprimierten und beobachteten, wie sich dadurch die Aktivität des Transkriptionsfaktors verändert. So verlängerte die Überexpression bei niedriger Energieversorgung die circadiane Periode, während bei viel Licht und damit auch viel Energie kein Effekt auf die Periodendauer eintrat. „KIN10 reguliert somit die circadiane Uhr in Reaktion auf den Energiestatus, da eine Situation mit niedriger Energie eine längere Periode verursacht“, resümieren die Autoren der Studie.

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Einen weiteren Einfluss hat der Phosphatzucker Trehalose-6-Phosphat (Tre6P), der vom Enzym TPS1 gebildet wird. Die Konzentration des Phosphatzuckers folgt exakt der von Saccharose und reguliert in negativer Weise die Aktivität der Kinase SnRK1, des Transkriptionsfaktors bZIP63 und weiterer zuckersensitiver Ziele. Anhand von hypomorphen tps1-Mutanten wies das internationale Team nach, dass Saccharose zu circadianen Perioden führte, die länger waren als beim Wildtyp. Mangelte es der Pflanze an Energie, unterschieden sich die Perioden von Mutanten und Wildtyp nicht. „Wir vermuten, dass die täglichen Schwankungen der Zuckerverfügbarkeit durch Tre6P signalisiert werden, um Anpassungen auszulösen“, so die Pflanzenforscher.

Drei Moleküle stellen die Uhr

Mit SnRK1, bZIP63 und TPS1 konnte die Studie somit drei Komponenten identifizieren, die den Takt der inneren Uhr in Abhängigkeit von der verfügbaren Energie anpassen. „Unsere Ergebnisse entschlüsseln erstmals einen Mechanismus in Pflanzen, der den circadianen Rhythmus nach hinten oder nach vorne verschiebt, um mit der Umwelt synchron zu sein“, erklärt Dodd. Demnach sind es nicht indirekte metabolische Veränderungen, die die circadiane Periode anpassen, sondern ein spezifischer Signalweg.

bZIP63 wird allerdings nicht nur von KIN10, sondern auch von anderen Proteinkinasen phosphoryliert. Daher hoffen die Forscher, noch weitere Komponenten der inneren Uhr identifizieren zu können. Heiße Kandidaten sind die Kinase KIN11 und die Caseinkinase II. Schon jetzt sieht das Team auch Ansätze für die Pflanzenzüchtung: Da die innere Uhr auch die Reifung der Pflanzen steuert, könnte durch eine Veränderung der zirkadianen Rhythmen letztendlich auch der Reifezeitpunkt optimiert und der Ertrag von Nutzpflanzen gesteigert werden.