Es liegt in den Genen: Forschung zeigt, wie Pflanzen wissen, wann sie blühen sollen

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25. Mai 2012

Wissenschaftler glauben, dass sie die letztes entscheidendes Stück des 80 Jahre alten Puzzles, wie Pflanzen „wissen“, wann sie blühen sollen.

Die Bestimmung der richtigen Blütezeit, die wichtig ist, wenn sich eine Pflanze erfolgreich vermehren soll, beinhaltet eine Abfolge von molekularen Ereignissen, die zirkadiane Uhr einer Pflanze und Sonnenlicht.

Das Verständnis, wie die Blüte in der einfachen Pflanze, die in dieser Studie verwendet wird – Arabidopsis – funktioniert, sollte zu einem besseren Verständnis dafür führen, wie die gleichen Gene in komplexeren Pflanzen wie Reis, Weizen und Gerste funktionieren, so Takato Imaizumi, Assistenzprofessor für Biologie an der University of Washington und korrespondierender Autor eines Artikels in der Ausgabe vom 25. Mai der Zeitschrift Science.

“ Wenn wir den Zeitpunkt der Blüte regulieren können, können wir möglicherweise den Ernteertrag erhöhen, indem wir dies beschleunigen oder verzögern. Wenn wir den Mechanismus kennen, haben wir die Werkzeuge, um dies zu manipulieren „, sagte Imaizumi. Zusammen mit Nahrungspflanzen könnte die Arbeit auch zu höheren Erträgen von Pflanzen führen, die für Biokraftstoffe angebaut werden.

Zu bestimmten Jahreszeiten produzieren Blütenpflanzen in ihren Blättern ein Protein, das als Blütenlocus T bekannt ist und die Blüte induziert. Sobald dieses Protein hergestellt ist, wandert es von den Blättern zur Triebspitze, einem Teil der Pflanze, in dem die Zellen undifferenziert sind, was bedeutet, dass sie entweder Blätter oder Blüten werden können. An der Triebspitze beginnt dieses Protein die molekularen Veränderungen, die Zellen auf den Weg bringen, Blumen zu werden.

Änderungen der Tageslänge sagen vielen Organismen, dass sich die Jahreszeiten ändern. Es ist seit langem bekannt, dass Pflanzen einen internen Zeitmessmechanismus verwenden, der als zirkadiane Uhr bekannt ist, um Änderungen der Tageslänge zu messen. Zirkadiane Uhren synchronisieren biologische Prozesse während 24-Stunden-Perioden in Menschen, Tieren, Insekten, Pflanzen und anderen Organismen.

Imaizumi und die Co-Autoren des Papiers untersuchten das sogenannte FKF1-Protein, von dem sie vermuteten, dass es ein Schlüsselfaktor für den Mechanismus ist, durch den Pflanzen saisonale Veränderungen erkennen und wissen, wann sie blühen müssen. Das FKF1-Protein ist ein Photorezeptor, das heißt, es wird durch Sonnenlicht aktiviert.

“ Das FKF1-Photorezeptorprotein, an dem wir gearbeitet haben, wird jeden Tag am späten Nachmittag exprimiert und wird sehr eng von der zirkadianen Uhr der Pflanze reguliert „, sagte Imaizumi. „Wenn dieses Protein an kurzen Tagen exprimiert wird, kann dieses Protein nicht aktiviert werden, da es am späten Nachmittag kein Tageslicht gibt. Wenn dieses Protein während eines längeren Tages exprimiert wird, nutzt dieser Photorezeptor das Licht und aktiviert die Blühmechanismen des Blühortes T. Die zirkadiane Uhr reguliert den Zeitpunkt des spezifischen Photorezeptors für die Blüte. So spüren Pflanzen Unterschiede in der Tageslänge.“

Dieses System verhindert, dass Pflanzen blühen, wenn es eine schlechte Zeit für die Fortpflanzung ist, wie zum Beispiel im Winter, wenn die Tage kurz und die Nächte lang sind.

Die neuen Erkenntnisse stammen aus der Arbeit mit der Pflanze Arabidopsis, einer kleinen Pflanze aus der Familie der Senf, die häufig in der Genforschung verwendet wird. Sie validieren Vorhersagen aus einem mathematischen Modell des Mechanismus, der Arabidopsis zum Blühen bringt, das von Andrew Millar, einem Professor für Biologie an der Universität Edinburgh und Co-Autor des Papiers, entwickelt wurde.

„Unser mathematisches Modell hat uns geholfen, die Funktionsprinzipien des Tageslängensensors der Pflanzen zu verstehen“, sagte Millar. „Diese Prinzipien werden in anderen Pflanzen wie Reis gelten, wo die Tageslänge der Ernte einer der Faktoren ist, die einschränken, wo Landwirte gute Ernten erzielen können. Es ist dieselbe tageslange Reaktion, die kontrollierte Beleuchtung für Legehennen und Fischfarmen benötigt, daher ist es genauso wichtig, diese Reaktion bei Tieren zu verstehen.

„Die Proteine, die an Tieren beteiligt sind, sind noch nicht so gut verstanden wie in Pflanzen, aber wir erwarten, dass die gleichen Prinzipien, die wir aus diesen Studien gelernt haben, angewendet werden.“

Der erste Autor des Papiers ist Young Hun Song, ein Postdoktorand in Imaizumis UW-Labor. Die anderen Co-Autoren sind Benjamin To, der ein UW-Student war, als diese Arbeit durchgeführt wurde, und Robert Smith, ein Doktorand der University of Edinburgh. Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health und dem britischen Biotechnology and Biological Sciences Research Council finanziert.

Für weitere Informationen:
Imaizumi, 206-543-8709, [email protected]