Wie Pflanzen auf Dunkelrotlicht reagieren
Pflanzen verfügen über die Fähigkeit, ihre Entwicklung an die Lichtverhältnisse ihrer Umgebung anzupassen. Insbesondere die Unterscheidung zwischen direktem Sonnenlicht und dem Schatten anderer Pflanzen ist entscheidend für ihr Gedeihen. Freiburger Forscher haben nun im Fachmagazin CELL dargelegt, wie Pflanzen das Wirkungsmaximum eines Lichtrezeptors von Rot zu Dunkelrot verschieben, um im Schatten anderer Gewächse optimal zu wachsen.
Im Schatten anderer Pflanzen ist das Lichtspektrum durch einen erhöhten Anteil an dunkelroten Farbanteilen gekennzeichnet. Dies liegt daran, dass die überlagernden Pflanzen blaue und rote Lichtanteile herausfiltern. Zur Erfassung dieser Lichtzusammensetzung nutzen Pflanzen lichtempfindliche Proteine, sogenannte Photorezeptoren. Für den roten Bereich des Farbspektrums sind Phytochrome zuständig, die ihre maximale Absorption im hellroten Licht aufweisen.
Die Hochintensitätsreaktion (HIR) und ihre Aufklärung
Bereits vor Jahrzehnten zeigte 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. Dieses Phänomen, bekannt als Hochintensitätsreaktion (HIR), konnte in seiner Ursache sowie die Abhängigkeit des Streckungswachstums von der Lichtintensität bisher nicht vollständig geklärt werden. Forscher der Universitäten Freiburg und Tübingen haben dieses Phänomen nun in einer Kombination aus Theorie und Experimenten aufgeklärt.
Dr. Julia Rausenberger und Dr. Christian Fleck vom Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) sowie Dr. Andreas Hiltbrunner vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen präsentierten ihre Ergebnisse. Die Studie zeigt, wie höhere Pflanzen im Laufe der Evolution die Fähigkeit entwickelt haben, auf dunkelrotes Licht zu reagieren, obwohl ihr Photorezeptor eigentlich im hellroten Licht die größte Absorption aufweist. Eine erste theoretische Deutung für die HIR lieferte bereits 1975 Prof. Dr. Eberhard Schäfer vom Institut für Biologie II und Zentrum für biologische Signalstudien (BIOSS), doch der zugrundeliegende Mechanismus blieb unverstanden.
Mechanismus des Kerntransports von Phytochrom A
Die aktuelle Arbeit in CELL führt experimentelle und theoretische Ansätze zusammen, um die HIR zu erklären. Hiltbrunner konnte nachweisen, dass für den Kerntransport von Phytochrom A zwei Helfer-Proteine erforderlich sind. Im Zellkern lösen sich diese Proteine vom Photorezeptor und kehren ins Zytoplasma zurück, um für weitere Transportvorgänge zur Verfügung zu stehen.
Auf Basis dieser experimentellen Befunde wurde ein mathematisches Reaktionsmodell für die Wirkung von Phytochrom A entwickelt. Anschließend wurde untersucht, ob dieses Modell die HIR widerspiegelt und welche Reaktionen entscheidend sind, damit Phytochrom A im dunkelroten Licht wirksam ist. Rausenberger überprüfte mittels Computersimulationen das Verhalten des Reaktionsmodells für eine Million Kombinationen von Konstanten und stellte fest, dass das Reaktionsmodell die HIR umfassend beschreibt.
Titel der Originalveröffentlichung
Julia Rausenberger, Anke Tscheuschler, Wiebke Nordmeier, Florian Wüst, Jens Timmer, Eberhard Schäfer, Christian Fleck, and Andreas Hiltbrunner. (2011). Photoconversion and nuclear trafficking cycles determine phytochrome A's response profile to far-red light. CELL 146, 5 3