Wie Pflanzen Temperatur wahrnehmen
Pflanzen reagieren auf Veränderungen der Umgebungstemperatur mit Anpassungen ihres Wachstums. So zeigt die Ackerschmalwand bei 22 Grad Celsius einen kompakten Wuchs. Steigt die Temperatur um wenige Grad, fördert dies ein gesteigertes Längenwachstum von Spross und Blättern, was eine effizientere Abkühlung durch Verdunstung ermöglicht. Bislang war jedoch unklar, wie Pflanzen Temperatur wahrnehmen.
Zwei aktuelle Studien, veröffentlicht im Fachmagazin „Science“, zeigen nun, dass der Lichtrezeptor Phytochrom B in Pflanzen auch als Temperatursensor fungiert. Freiburger Wissenschaftler arbeiteten hierfür mit Forschungsgruppen aus Cambridge/England, Buenos Aires/Argentinien und St. Louis/USA zusammen. Phytochrome sind Photorezeptor-Proteine, die in höheren Pflanzen eine Vielzahl physiologischer Prozesse steuern, darunter Samenkeimung, Keimlingsentwicklung, Blütenbildung und die Vermeidung von Schatten.
Phytochrome als molekulare Schalter
Die spektrale Zusammensetzung des Lichts variiert je nach Standort einer Pflanze. Im offenen Sonnenlicht ist der Anteil hellroten Lichts hoch, während im Vegetationsschatten blaue und hellrote Farbanteile herausgefiltert und dunkelrote Lichtanteile angereichert sind. Phytochrome können Licht absorbieren und wirken dabei wie molekulare Schalter: Hellrotes Licht aktiviert die Phytochrome, während dunkelrotes Licht sie inaktiviert. Diese Eigenschaft ermöglicht es Pflanzen, beispielsweise den Hellrot-Anteil in ihrer Lichtumgebung zu bestimmen.
Aktives Phytochrom B hemmt das Längenwachstum von Pflanzen und fördert einen kompakten Wuchs. Es bindet an Kontrollabschnitte, sogenannte Promotoren, bestimmter Gene, die an der Regulation des Längenwachstums beteiligt sind, und steuert so deren Aktivität. Es ist bekannt, dass Phytochrome auch lichtunabhängig vom aktiven in den inaktiven Grundzustand zurückwechseln können. Dieser Prozess wird als Dunkelreversion bezeichnet. Die Freiburger Pflanzenphysiologen haben bereits gezeigt, dass die Inaktivierung von Phytochrom B durch Dunkelreversion in zwei unterschiedlich schnellen Reaktionen ablaufen kann.
Temperaturabhängigkeit der Dunkelreversion
Ein langsamer Dunkelreversionsmechanismus bewirkt, dass die Menge an aktivem Phytochrom B in der Nacht langsam abnimmt. Ein weiterer, etwa hundertfach schnellerer Reversionsprozess konkurriert mit der Lichtaktivierung des Phytochrom B und ermöglicht den Pflanzen, tagsüber die Lichtintensität zu messen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Geschwindigkeit dieser beiden Inaktivierungsprozesse stark von der Temperatur abhängt. Mit einer speziellen Spektroskopiemethode, die die Menge an aktivem Phytochrom B in lebenden Keimlingen misst, konnten die Freiburger Forscher nachweisen, wie stark die Temperatur die beiden Dunkelreversionsraten beeinflusst.
Die Temperaturabhängigkeit der langsameren Dunkelreversionsreaktion bestimmt, wie lange aktives Phytochrom B in der Nacht erhalten bleibt und an die Promotoren der Gene binden kann. Bei höheren Temperaturen wird Phytochrom B schneller inaktiviert und verlässt die Promotoren früher als bei niedrigeren Temperaturen. Die Temperatur beeinflusst die Phytochrom-B-Aktivität jedoch auch tagsüber: Die Forschenden wiesen bei höheren Temperaturen bereits in der Lichtphase reduzierte Mengen der aktiven Form des Photorezeptors nach. Dies ist auf die Temperaturabhängigkeit des schnellen Dunkelreversionsmechanismus zurückzuführen.
Steigende Temperaturen inaktivieren Phytochrom B vor allem bei schwachem Licht, was wiederum ein stärkeres Längenwachstum fördert. Pflanzen können somit ihr Wachstum flexibel an Veränderungen der Umweltbedingungen anpassen. An den Studien waren Dr. Cornelia Klose, Prof. Dr. Andreas Hiltbrunner und Prof. Dr. Eberhard Schäfer von der Abteilung für Molekulare Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie II beteiligt. Hiltbrunner und Schäfer sind Mitglieder des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies.