Die pflanzliche „Pubertät“ überwinden

Nach der Keimung durchlaufen Pflanzen eine Phase des Wachstums aller Organe. Blüten und Samen können sie aber erst ausbilden, wenn sie den Sprung zur „erwachsenen“ Pflanze vollzogen haben. Vergleichbar mit uns Menschen, müssen sie davor eine Art „Pubertät“ durchlaufen. Damit sind auch bei Pflanzen weitere äußerlich sichtbare Veränderungen verbunden. Erwachsene Pflanzen der Art Arabidopsis thaliana, dem beliebtesten Modellorganismus der Pflanzenforschung, erkennt man beispielsweise an kleinen Härchen (Trichome), die auf den Blattunterseiten entstehen.

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Was hat das Pflanzenhormon Cytokinin damit zu tun?

Erst ab einem bestimmten Alter der Pflanzen können äußere und innere Signale das Blühen überhaupt erst einleiten. Dazu gehören externe Faktoren wie Licht oder Temperatur sowie im inneren der Pflanze u. a. bestimmte Hormone. Auch die Dauer der „jugendlichen“ Phase einer Pflanze kann sich indirekt auf den Blühbeginn auswirken. Welche Rolle das wachstumsfördernde Hormon Cytokinin bei dem Übergang in die „erwachsene“ Phase spielt, haben Forschende des Dahlem Centre of Plant Sciences an der Freien Universität Berlin aufgedeckt.

Das Team um Professor Thomas Schmülling fand heraus, dass genetisch veränderte Mutanten mit einer erhöhten Cytokininproduktion früher „erwachsen“ werden. Sichtbar war das an den Trichomen an den Blättern. Umgekehrt verharrten Mutanten mit niedrigem Cytokininspiegel deutlich länger in der juvenilen Phase. Mittels genetischer Analysen untersuchte das Team anschließend die zugrundeliegenden Regulationsmechanismen.

Der Blockierer verschwindet mit dem Alter

Sie identifizierten zwei Cytokinin-Rezeptoren (AHK2 und AHK3) und eine Genfamilie (ARR), die für Transkriptionsfaktoren codiert. Sie sind dafür verantwortlich, das Cytokininsignal „wahrzunehmen“ und die Aktivität des Hormons in dieser Übergangsphase zu steuern.

Und mehr noch: Cytokinin setzt den Analysen zufolge an einem altersabhängigen Signalweg an, der die sichtbaren Veränderungen während der „Pubertät“ anstößt. Der Signalweg misst das Alter einer Pflanze und leitet die morphologischen Veränderungen ein oder verhindert sie. Er besteht aus zwei kleinen RNA-Molekülen, sogenannten microRNAs (miRNAs), und ihren jeweiligen Zielgenen. Die microRNAs verhindern durch Bindung an die Boten-RNAs (mRNAs) ihrer Zielgene deren Übersetzung in ein Protein. Damit legen sie die Genaktivität lahm – ein Prozess, der als Gene silencing bekannt ist.

Die beiden evolutionär hochkonservierten miRNAs dieses Signalwegs heißen miR156 und miR172 und haben entgegengesetzte Funktionen: Während miR156 mehrere SPL-Gene hemmt, die für den Übergang von der juvenilen zur adulten Wachstumsphase nötig sind, fördert miR172 den Übergang zum Erwachsenendasein – indem die Bildung von mehreren Transkriptionsfaktoren verhindert wird, die dafür bekannt sind, den Übergang zur „Geschlechtsreife“ zu blockieren.

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Die Konzentration von miR156 nimmt mit dem Alter der Pflanze natürlicherweise ab. Dies führt dann zu einer höheren Genaktivität der SPL-Gene und einer Anreicherung von miR172.

Mehr bringt mehr

In den Experimenten wiesen Mutanten mit wenig Cytokinin auch deutlich geringere Konzentrationen an miR172 auf. Mutanten mit mehr Cytokinin hatten hingegen deutlich mehr miR172 als der Wildtyp. Damit war bewiesen, dass Cytokinin sich auch förderlich auf miR172 auswirkt und so den Übergang beschleunigt. Dabei scheinen vor allem zwei Zielgene von miR172 besonders wichtig zu sein: TOE1 und TOE2. Deren Hemmung sorgt nämlich für „erwachsene“ Blätter mit den charakteristischen Härchen.

Noch eine Entdeckung machte das Team: Nicht alle Cytokinin-Typen, die in der Pflanze vorhanden sind, sind für den Prozess des Erwachsenwerdens hilfreich. Denn es gibt mehrere Cytokinin-Typen, die chemische Strukturunterschiede aufweisen. Vor allem der sogenannte „tZ-Typ“, der aus der Wurzel in die oberirdischen Teile transportiert wird, ist der Studie zufolge am Entwicklungsübergang beteiligt.

Für Züchtung relevant!

„Blühen ist ein energieaufwendiger Prozess für Pflanzen. Der richtige Zeitpunkt muss daher gut gewählt sein“, betont Professor Schmülling. Das trifft auch auf unsere Nutzpflanzen zu. Könnte man den Zeitpunkt der Blütenbildung gezielt steuern, könnten Pflanzen produktiver sein.

Zum Beispiel kann eine spätere Blüte und damit längere Wachstumsphase zu mehr Biomasse und damit zu höheren Erträgen führen. Eine gezielt frühere Blüte kann hingegen neue Anbaugebiete erschließen: „Bei Raps kann ein vorgezogener Blühbeginn von wenigen Tagen dazu führen, dass man die Pflanze in Regionen mit kürzeren Vegetationsperioden anbauen kann. So kommen sie auch da zur Fruchtreife, bevor der Winter kommt“, erklärt Schmülling. Von den neuen Erkenntnissen könnte somit auch die Züchtung profitieren, hofft das Team.

Quelle:
Werner S., Bartrina, I. und Schmülling, T. (2021): Cytokinin regulates vegetative phase change in Arabidopsis thaliana through the miR172/TOE1-TOE2 module. In: Nature Communications, (5. Oktober 2021), doi: 10.1038/s41467-021-26088-z.

Zum Weiterlesen:

• SEEDS-Projekt auf dem Weg zum „Super-Raps“ - Anzahl der Schoten und Samengewicht durch Cytokinin erhöht
• Cytokinine - Ressourcenplan für die Abwehr
• Cytokinin - Ein Hormonschalter treibt neue Blüten

Titelbild: Pflanzen müssen erst ein bestimmtes Alter erreichen, um Blüten ausbilden zu können. (Bildquelle: © iStock.com/dra_schwartz)