Forschungsteam zeigt, dass Pflanzen einen Lichtrezeptor auch als Thermosensor nutzen

Wie Pflanzen die Außentemperatur messen können

Forschung und Bildung
Die Menge des aktiven Pyhtochrom B wird Luft und Temperatur reguliert: Bei höheren Temperaturen wird Phytochrom B stärker inaktiviert und so das Längenwachstum der Pflanzen gefördert. Foto: Cornelia Klose

Pflanzen reagieren empfindlich auf Veränderungen ihrer Umgebungstemperatur. Die Ackerschmalwand hat beispielsweise 22 °C einen kompakten Wuchs. Erhöht sich die Temperatur um nur wenige Grad Celsius, zeigt die Pflanze ein gesteigertes Längenwachstum von Spross und Blättern: Dies erleichtert es den Pflanzenorganen, sich durch Verdunstung abzukühlen. Wie die Pflanzen Temperatur wahrnehmen, war bislang nicht geklärt. In zwei sich ergänzenden Studien, die nun im Fachmagazin "Sciene" veröffentlicht wurden, haben Freiburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen aus Cambridge/England, Buenos Aires/Argentinien und St. Louis/USA nun gezeigt, dass der Lichtrezeptor Phytochrom B in Pflanzen auch als Temperatursensor wirkt.

Phytochrome sind Photorezeptor-Proteine, die in höheren Pflanzen eine Vielzahl physiologischer Prozesse steuern, wie Samenkeimung, Keimlingsentwicklung, Blütenbildung und die Vermeidung von Schatten. Die spektrale Zusammensetzung der Lichtumgebung variiert je nachdem wo eine Pflanze wächst: im offenen Sonnenlicht ist der Anteil hellroten Lichts hoch, im Vegetationsschatten sind blaue und hellrote Farbanteile herausgefiltert und somit dunkelrote Lichtanteile angereichert.

Phytochrome können Licht absorbieren und funktionieren wie eine Art Molekularer Schalter: Während der hellrote Lichtanteil aus dem Sonnenlicht die Phytochrome aktiviert, werden diese durch dunkelrotes Licht inaktiviert. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Pflanzen zum Beispiel in der Lage, den Hellrot-Anteil in ihrer Lichtumgebung zu bestimmen. Aktives Phytochrom B hemmt etwa das Längenwachstum der Pflanzen und fördert so einen kompakten Pflanzenwuchs: Es bindet an Kontrollabschnitte, sogenannte Promotoren, von bestimmten Genen, die unter anderem an der Regulation des Längenwachstum beteiligt sind, und steuert so deren Aktivität.

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Die Menge des aktiven Pyhtochrom B wird Luft und Temperatur reguliert: Bei höheren Temperaturen wird Phytochrom B stärker inaktiviert und so das Längenwachstum der Pflanzen gefördert. Foto: Cornelia Klose

Es ist schon länger bekannt, dass Phytochrome auch lichtunabhängig von der aktiven Form in den inaktiven Grundzustand zurückwechseln können. Diesen Prozess bezeichnet man als Dunkelversion. Die Freiburger Pflanzenphysiologinnen und -physiologen haben zuvor bereit gezeigt, dass die Inaktivierung von Phytochrom B durch Dunkelreversion in zwei unterschiedlich schnellen Reaktionen erfolgen kann. Ein langsamer Dunkelreversionsmechanismus sorgt dafür, dass die Menge an aktiven Phytochrom B in der Nacht langsam abnimmt. Ein weiterer, etwa hundertfach schnellerer Reversionsprozess konkurriert mit der Lichtaktivierung des Phytochrom B und ermöglicht den Pflanzen dadurch, am Tag die Lichtintensität messen zu können. Dabei stellten die Wissenschaftlicher fest, dass die Geschwindigkeit der beiden Inaktivierungsprozesse stark von der Temperatur abhängig ist.

Mit einer speziellen Spektroskopiemethode, mit der die Menge an aktivem Phytochrom B in der Nacht erhalten bleibt und an die Promotoren der Gene binden kann. Bei höherer Temperatur wird Phytochrom B schneller inaktiviert und verlässt die Promotoren eher als bei niedrigeren Temperaturen. Die Temperatur beeinflusst die Phytochrom-B-Aktivität jedoch auch am Tag: Die Forschenden wiesen bei höheren Temperaturen bereits in der Lichtphase reduzierte Mengen der aktiven Form des Photorezeptors nach, was auf die Temperaturabhängigkeit des schnellen Dunkelreversionsmechanismus zurückzuführen ist. Steigende Temperaturen inaktivieren Phytochrom B vor allem im schwachen Licht, was wiederum ein stärkeres Längenwachstum fördert. Somit können die Pflanzen ihr Wachstum flexibel an Veränderungen ihrer 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.

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