Wenn Hormone kooperieren
Cytokinin und Gibberellin steuern gemeinsam den Übergang zur Erwachsenenphase
Start ins Pflanzenleben: In der Keimlingsphase beginnt die Entwicklung, die später durch Hormone wie Cytokinin und Gibberellin gesteuert in verschiedene Wachstumsphasen übergeht. (Bildquelle: © Krzysztof Ziarnek, Kenraiz / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
Cytokinin und Gibberellin galten lange als Gegenspieler. Doch eine neue Studie zeigt: Die beiden Pflanzenhormone wirken bei der vegetativen Phasenänderung als Partner – allerdings mit klarer Aufgabenverteilung. Die Erkenntnisse werfen neues Licht auf die hormonelle Steuerung von Entwicklungsprozessen bei Pflanzen.
Nach der Keimung durchläuft jede Pflanze mehrere Entwicklungsphasen – beginnend mit einer juvenilen Phase, in der sie grundlegende Strukturen aufbaut, gefolgt von der erwachsenen vegetativen Phase, in der sie ihre Biomasse und Photosynthesekapazität maximiert. Erst danach folgt der Übergang zur reproduktiven Phase mit Blüten- und Samenbildung.
„Pubertät“ bei Pflanzen – eine Phase mit molekularem Feintuning
Chemische Struktur von Gibberellin: Diese pflanzlichen Wachstumsregulatoren steuern zahlreiche Entwicklungsprozesse – etwa Streckungswachstum, Blühzeitpunkt und den Übergang zur Erwachsenenphase.
Bildquelle: © Calvero, eigenes Werk / Wikipedia, gemeinfrei
Der Wechsel von der jugendlichen zur erwachsenen Phase – die sogenannte vegetative Phasenänderung (VPC) – ist ein zentraler Entwicklungsschritt bei Pflanzen. Bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana äußert er sich unter anderem in länglicheren, stärker gezackten Blättern, einer veränderten Zellgröße und dem Auftreten von Trichomen (Pflanzenhaaren) auf der Blattunterseite. Diese Merkmale sind funktionell relevant: Sie verbessern die Lichtnutzung und bereiten die Pflanze auf die Blühphase vor.
Gesteuert wird diese Phase durch ein altersabhängiges genetisches Programm, das als Altersweg bezeichnet wird. Dabei spielen Mikro-RNAs – kleine regulatorische RNA-Moleküle – eine zentrale Rolle. In jungen Pflanzen sind miR156 und miR157 besonders aktiv. Sie unterdrücken die Produktion sogenannter SPL-Transkriptionsfaktoren, die viele entwicklungsspezifische Gene regulieren.
Mit zunehmendem Alter sinkt die Konzentration von miR156/157, wodurch die SPL-Faktoren vermehrt gebildet werden können. Diese wiederum fördern die Bildung einer weiteren Mikro-RNA, miR172. Letztere hemmt gezielt Gene aus der AP2-Familie, die in jungen Pflanzen typische juvenile Merkmale wie eine unbehaarte Blattunterseite aufrechterhalten. So entsteht ein fein abgestimmter molekularer Zeitplan, der die Phasenänderung orchestriert.
Eine hormonelle Allianz: CK und GA arbeiten zusammen
Trichome auf einer Blattunterseite: Ihre Bildung markiert bei Arabidopsis den Übergang zur erwachsenen Phase – gesteuert durch ein fein reguliertes Zusammenspiel von Hormonen und Genregulation.
Bildquelle: © Brandon Antonio Segura Torres & Priscilla Vieto Bonilla / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Lange Zeit wurde angenommen, dass Cytokinin (CK) und Gibberellin (GA) in der Pflanzenentwicklung vor allem gegensätzlich wirken. CK fördert beispielsweise die Zellteilung, während GA das Streckungswachstum und die Blühinduktion unterstützt. Doch bei der vegetativen Phasenänderung in Arabidopsis zeigt sich ein anderes Bild: Die beiden Hormone wirken kooperativ – allerdings in einem klar hierarchischen Verhältnis.
Eine neue Studie in Nature Communications belegt, dass CK gezielt die Produktion von Gibberellin in der Pflanze ankurbelt – und zwar durch die Aktivierung der Enzyme GA3ox1 und GA3ox2. Diese katalysieren die letzten Schritte bei der Bildung von GA₄, einer der bioaktiven GA-Formen in Arabidopsis. GA₄ ist essenziell, um bestimmte Entwicklungsprozesse auszulösen – etwa das Auftreten von Trichomen auf der Blattunterseite oder die Veränderung der Blattform während der vegetativen Phasenänderung.
Die Forschenden zeigen: Ohne funktionierende GA₄-Biosynthese – etwa in Mutanten mit Defekten in GA3ox1 und GA3ox2 – bleibt die Wirkung von CK vollständig aus. Selbst wenn CK-Signale aktiv sind, treten keine Trichome oder adulten Blattmerkmale auf. Das Gleiche gilt für Pflanzen mit gestörter GA-Signalweiterleitung. Wird diesen CK-defizienten Pflanzen allerdings extern Gibberellin zugeführt, normalisieren sich die Entwicklungsmerkmale – ein klarer Hinweis auf die epistatische Beziehung: CK wirkt über GA, nicht umgekehrt.
Zwei Wege, zwei Funktionen
Noch befindet sich diese Weizenpflanzen in der vegetativen Phase – Hormone wie Cytokinin und Gibberellin regulieren, wann der Übergang zur Blüten- und Kornbildung beginnt.
Bildquelle: © ADARSHluck / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Besonders interessant: CK nutzt unterschiedliche molekulare Wege, um verschiedene Merkmale der vegetativen Phasenänderung zu regulieren. Die Bildung von Trichomen auf der Blattunterseite erfolgt über das klassische SPL-miR172-TOE-Modul – und ist strikt abhängig von der GA-Signalweiterleitung über die DELLA-Proteine GAI und RGA. Fehlen diese Proteine, bleibt die Wirkung von CK auf die epidermale Identität aus.
Anders verhält es sich bei der Veränderung der Blattform. Auch diese wird durch CK beeinflusst, jedoch auf anderem Wege: Selbst in Pflanzen, denen zentrale SPL-Faktoren fehlen, bleibt der Effekt von CK auf die Blattgestalt teilweise erhalten. Das deutet auf alternative, SPL-unabhängige Signalwege hin – möglicherweise unter Einbeziehung weiterer AP2-ähnlicher Gene oder GA-regulierter Faktoren.
Die Studie bringt damit ein differenziertes Bild hervor: Während CK für die epidermale Reifung strikt auf GA-Signalwege und bestimmte Transkriptionsfaktoren angewiesen ist, nutzt es zur Steuerung der Blattform zusätzliche oder alternative molekulare Partner.
Kein Einfluss auf miR156 – aber starke Wirkung über miR172
Ein weiterer zentraler Befund der Studie: Weder CK noch GA verändern den Spiegel von miR156 – dem „Timer“ der Jugendphase. Beide Hormone wirken auf nachgelagerte Ebenen des Alterswegs, insbesondere auf miR172 und deren Zielgene. Sowohl CK als auch GA fördern die Expression von MIR172B, was zur Repression von AP2-ähnlichen Faktoren wie TOE1 und TOE2 führt – und damit zur Ausprägung der Erwachsenenmerkmale.
Das erklärt auch, warum CK seine Wirkung verliert, wenn miR156 künstlich überexprimiert wird: In solchen Pflanzen bleiben die SPL-Faktoren dauerhaft unterdrückt – der hormonelle Regulationsweg läuft dann ins Leere.
Zusammenarbeit statt Konkurrenz
Die Ergebnisse der Studie stellen eine klassische Vorstellung der Pflanzenhormonlehre infrage. Statt gegensätzlich zu wirken, kooperieren CK und GA bei der Steuerung eines zentralen Entwicklungsschritts – der vegetativen Phasenänderung. Die Wechselwirkung erfolgt dabei hoch differenziert, merkmalspezifisch und mit klarer hierarchischer Rollenverteilung.
Diese Erkenntnisse erweitern nicht nur unser Verständnis der Hormonregulation bei Pflanzen, sondern eröffnen auch neue Perspektiven: etwa für die gezielte Steuerung von Entwicklungszeitpunkten, Blattarchitektur oder vegetativ-reproduktiven Übergängen – sei es durch klassische Züchtung, biotechnologische Ansätze oder hormonelle Behandlung.
Quelle:
Werner, S. et al. (2025): Cytokinin depends on GA biosynthesis and signaling to regulate different aspects of vegetative phase change in Arabidopsis. In: Nature Communications, 16, 6292. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61507-5
Zum Weiterlesen auf pflanzenforschung.de:
- Wachsen oder Blühen? - Gibberelline geben den Ausschlag
- Was sind DELLA-Proteine? - Interview mit Prof. Schwechheimer von der Technischen Universität München
- Phytohormone: Die Signalgeber des Pflanzenreichs
Titelbild: Start ins Pflanzenleben: In der Keimlingsphase beginnt die Entwicklung, die später durch Hormone wie Cytokinin und Gibberellin gesteuert in verschiedene Wachstumsphasen übergeht. (Bildquelle: © Krzysztof Ziarnek, Kenraiz / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
