Wie Pflanzen den Frühling erkennen

Eine internationale Gruppe von Biologen hat Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren und der epigenetischen Regulierung der pflanzlichen Entwicklung nachgewiesen. Zwei eng verwandte molekulare Mechanismen schützen demnach Pflanzen bei Überschwemmungen und steuern temperaturabhängig den Blühbeginn. Ihr Ursprung liegt früh in der Entwicklung der Bedecktsamer.

Wenn es kalt ist, kann das eine Pflanze erkennen und entsprechend reagieren. Aber woher weiß sie, dass es lange kalt gewesen ist und die nun einsetzende Wärme ein sicheres Zeichen für den nahenden Frühling ist und die Blütenbildung beginnen muss? Dieser Frage ist ein internationales Team von Biologen nachgegangen und hat sich die sogenannten "Polycomb group Proteine" (PcP) bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) näher angesehen.

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Epigenetische Regulation des Blühzeitpunktes

Diese Gruppe von Proteinen  ist bekannt dafür, Entwicklungsprozesse in Eukaryoten zu steuern. Dazu bilden sie Komplexe aus mehreren Proteinen, die die Expression bestimmter Gene stilllegen. Genau das bewirkt der PcP-Komplex PRC2 bei dem Gen  flowering locus c, das in Pflanzen die Blütenbildung verhindert. Schon länger vermuten Pflanzenforscher, dass PRC2 an der sogenannten Vernalisation beteiligt ist, dem Blühbeginn einer Pflanze im Anschluss an eine längere Kälteperiode. Unklar blieb bisher, wie PRC2 zum richtigen Zeitpunkt aktiv wird.

Anders als Tiere besitzen Pflanzen unterschiedliche Varianten der Untereinheiten von PRC2. An der Vernalisation beteiligt ist die Variante mit der Untereinheit VERNALIZATION 2 (VRN2). Die Biologen fanden mithilfe gezielt hergestellter Mutanten  heraus, dass VRN2 zwar kontinuierlich gebildet wird, aber instabil ist. Aufgrund seiner N-terminalen Aminosäure  wird es normalerweise schnell von Enzymen zersetzt. Dieser Abbau findet jedoch nicht statt, wenn die Pflanze Kälte ausgesetzt ist. Gleiches gilt bei Sauerstoffmangel, wie sie bei z. B. Überflutung herrscht, da Sauerstoff für die chemischen Reaktionen des Proteinabbaus erforderlich ist.

Instabil bei Wärme

„VRN2 wird kontinuierlich abgebaut, wenn es nicht benötigt wird, aber unter den richtigen Umweltbedingungen häuft es sich an“, erläutert Daniel Gibbs. „Auf diese Weise spürt VRN2 Signale aus der Umwelt und reagiert darauf, wodurch PRC2 inaktiv bleibt, bis es benötigt wird.“ Kurzum: Ist es kalt, bleibt VRN2 stabil und hemmt die Blütenbildung. Ist es warm, wird der Proteinkomplex PRC2 inaktiv und es kommt zur Blüte.

Weil die Reaktion auf Kälte und Überflutung so ähnlich ausfiel, hat das Team mittels der Sequenzierungsmethode RNA-seq das Transkriptom für beide Fälle verglichen. Etwa ein Fünftel der bei Überflutung hochregulierten Gene wurden auch bei längeren Kälteperioden verstärkt exprimiert. Viele dieser Gene haben essenzielle Aufgaben unter anaeroben Bedingungen. Die Forscher konnten einige molekularbiologischen Zusammenhänge zwischen beiden Regulationswegen aufklären und kamen dabei zu folgenden Vermutungen:

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Wahrscheinlich löst Kälte Bedingungen aus, die alle Substrate stabilisieren, deren Abbau durch die Aminosäure Cystein initiiert wird – darunter neben VRN2 auch ERFVII-Proteine, die die Reaktion auf anaerobe Bedingungen in Gang setzen. Allerdings könnte die Ähnlichkeit auch darin begründet liegen, dass sowohl Kälte als auch Überflutung für die Pflanze eine Energiekrise darstellen, so die Biologen.

Nur bei Blütenpflanzen vorhanden

Auffällig fanden die Autoren der Studie, dass Tiere zwar den PRC2-Komplex besitzen, jedoch kein instabiles VRN2-Protein. Die Wissenschaftler vermuten, dass sich die Pflanze infolge dieser Veränderung flexibler an Umweltveränderungen anpasst, denen sie – anders als mobile Tiere – nicht ausweichen kann.

Dieses System scheint sich speziell bei Blütenpflanzen entwickelt zu haben - schon früh in der Evolution der Bedecktsamer. Darauf weisen phylogenetische und biochemische Analysen hin.

Die neuen Erkenntnisse werfen wie so oft weitere Fragen auf, wie Michael Holdsworth formuliert: „Jetzt ist es wichtig zu erforschen, wie Kälte die Stabilität von VRN2 erhöht und warum diese Reaktion der Pflanze der bei Überflutungssituationen so ähnelt.“ Vielleicht können Pflanzenzüchter das neue Wissen dann nutzen, um Pflanzen angesichts des Klimawandels an unterschiedliche Umweltbedingungen anzupassen.