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Pflanzen haben sich an das Wachstum im Schatten evolutionär angepasst

Neue Ergebnisse über das Wirkungsmaximum eines Lichtrezeptors, die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht wurden, klären den Mechanismus der Hochintensitätsreaktion (HIR) auf. Zum ersten Mal ist es Forschern der Universitäten Freiburg und Tübingen gelungen den Mechanismus der HIR zu entschlüsseln. Ein Schlüssel zu verbessertem Wachstum bei schattigen Lichtverhältnissen war die Evolution eines Photorezeptors, der sein Wirkungsmaximum im hellroten Bereich hat.

Keimlinge einer höheren Pflanze, der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana), die in dunkelrotem Licht gewachsen sind. © Uni Freiburg

Freiburger Forscher zeigen im Fachmagazin Cell, wie Pflanzen das Wirkungsmaximum eines Lichtrezeptors von Rot zu Dunkelrot verschieben. Da das Licht viele Prozesse im Leben einer Pflanze beeinflusst, muss diese entscheiden ob die Sonne scheint oder nicht und je nach Helligkeit und Zusammensetzung des Lichts verschiedene Reaktionen auslösen. Dabei nutzen Pflanzen aus, dass im Schatten anderer Gewächse das Licht stark mit dunkelroten Farbanteilen angereichert ist. Denn weiter oben wachsende Pflanzen filtern aus dem Sonnenlicht die blauen und roten Farbanteile heraus. Um die Zusammensetzung des Lichts zu erfassen, besitzen Pflanzen lichtempfindliche Proteine, so genannte  Photorezeptoren. Für den roten Bereich des Farbspektrums sind Phytochrome zuständig, die eine maximale Absorption in hellrotem Licht aufweisen. Allerdings zeigte bereits vor einigen Jahrzehnten der Freiburger Biologe Prof. Dr. Karl-Max Hartmann, dass die maximale Wirksamkeit für die Hemmung des Streckungswachstums bei Pflanzen im dunkelroten Bereich des Lichtspektrums liegt. Die Ursache dafür sowie für die starke Abhängigkeit des Streckungswachstums von der Lichtintensität konnte bisher jedoch nicht geklärt werden.

In einer Kombination aus Theorie und Experimenten klärten Forscher der Universitäten Freiburg und Tübingen dieses Phänomen, das als Hochintensitätsreaktion (HIR) bezeichnet wird, jetzt auf. Dr. Julia Rausenberger aus der Arbeitsgruppe von Dr. Christian Fleck vom Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) und Dr. Andreas Hiltbrunner vom Zentrum für Molekularbiologie der  Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen präsentieren ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Cell.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, wie höhere Pflanzen im Laufe der Evolution die Fähigkeit erworben haben, auf dunkelrotes Licht zu reagieren, obwohl sie einen Photorezeptor benutzen, der eigentlich seine größte Absorption im hellroten Licht zeigt.

Mechanismus der HIR durch moderne Methoden entschlüsselt

Bereits 1975 lieferte Prof. Dr. Eberhard Schäfer vom Institut für Biologie II und Zentrum für biologische Signalstudien (BIOSS) eine erste theoretische Deutung für die HIR. Dennoch blieb der prinzipielle Mechanismus unverstanden. In der jetzt in Cell erscheinenden Arbeit werden die experimentellen und theoretischen Ansätze zusammengeführt, um zu einer Erklärung der HIR zu kommen. Hiltbrunner konnte dabei zeigen, dass für den Kerntransport von Phytochrom A zwei Helferproteine notwendig sind. Im Zellkern lösen sie sich vom Photorezeptor und wandern zurück in das Zytoplasma, um dort für weiteren Transport zur Verfügung zu stehen. Aufbauend auf diesen experimentellen Befunden ließ sich ein mathematisches Reaktionsmodell für die Wirkung von Phytochrom A aufstellen. Daran anschließend musste herausgefunden werden, ob dieses Modell die HIR widerspiegelt und welche Reaktionen grundlegend sind, damit Phytochrom A im dunkelroten Licht wirksam ist. Rausenberger überprüfte mittels Computersimulationen das Verhalten des Reaktionsmodells für insgesamt eine Millionen Kombinationen von Konstanten. Sie stellte fest, dass das Reaktionsmodell die HIR umfassend beschreibt.

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