Studie enthüllt Geheimnis der inneren Uhr von Pflanzen
Europäische Forscher beschreiben in einer neuen Studie, wie die innere biologische Uhr Pflanzen ermöglicht, flexibel auf zeitliche Veränderungen bei Sonnenaufgang und -untergang sowie Tageslänge zu reagieren. Die Ergebnisse liefern Aufschluss darüber, wie Organismen, die sich am Tageslicht orientieren, auf Veränderungen reagieren, und wie den Folgen von Jetlag und Schichtarbeit besser zu begegnen ist. Die von ungarischen und britischen Forschern durchgeführte Studie wurde im Fachblatt Molecular Systems Biology veröffentlicht und von der EU durch das Projekt EUCLOCK ("Entrainment of the circadian clock") unterstützt, das mit 12,3 Mio. EUR unter dem Themenbereich "Biowissenschaften, Genomik und Biotechnologie im Dienste der Gesundheit" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) finanziert wurde. Viele Lebewesen besitzen eine innere (zirkadiane) Uhr, die verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit Biochemie, Physiologie und Verhalten über den Verlauf des Tages zeitlich synchronisiert. Studien hatten gezeigt, dass die Aktivität einer Reihe von Genen zu bestimmten Tageszeiten besonders hoch ist, und dass auch die Regulation funktionell verwandter Gene häufig gleichzeitig erfolgt. Die biologische Uhr wird durch Umweltsignale, z.B. Zeitgeber wie Tageslichtlänge gestellt - ein Prozess, der als "Entrainment" bezeichnet wird. Mithilfe dieser Uhr gelingt es den Pflanzen, ihren Kohlenstoffmetabolismus optimal an die Umwelt anzupassen. Am Tage nutzen sie die Energie der Sonne, um Kohlenstoffdioxid und Wasser in Zucker und Sauerstoff umzuwandeln, was in bestimmten Zellkompartimenten, sogenannten Chloroplasten, stattfindet. Einige der hergestellten Zuckerarten werden als "transitorische Stärke" in den Chloroplasten gespeichert. "Diese werden aufgespalten und dienen nachts als Zuckerquelle, um einen Nährstoffmangel und damit verbundenen Wachstumsstopp der Pflanze zu verhindern", heißt es in der Studie. "Für die Verstoffwechslung der Stärke sind verschiedene Gene zuständig, die in einem bestimmten Rhythmus reguliert werden." Für ihre Studie testeten die Forscher verschiedene mathematische Modelle. In Experimenten untersuchten sie die komplexen Prozesse der zirkadianen Uhr an Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) und die Kontrollmechanismen dieser Uhr, mit denen sich die Pflanze an die jahreszeitlich bedingten Veränderungen von Tageslänge und Sonnenaufgang und -untergang anpassen kann. Wie sich zeigte, ist ein mathematisches Modell mit drei Rückkopplungskreisen besser geeignet, um die Ergebnisse praktischer Experimente vorherzusagen, als ein Modell mit nur einem oder zwei Rückkopplungskreisen. "Wir konnten nachweisen, dass sich die zirkadiane Phase der Modellkomponenten mit zunehmender Komplexität des Modells flexibler an die Photoperiode des Licht-Dunkel-Entrainments anpasst", schreiben die Forscher. Weiterhin heißt es: "Das Verhalten des Modells in Reaktion auf Lichtreize unterliegt einer konzeptuellen Unterteilung - am Tage beeinflusst die Morgenschleife die Expression bestimmter Gene am Abend, bei Nacht beeinflusst die Abendschleife die Expression von Genen am Morgen." Nach Überzeugung der Forscher könnten die Ergebnisse der Studie vor allem für die Agrarforschung relevant sein. "Die richtige zeitliche Abfolge rhythmischer Prozesse wie der Stärkeaufspaltung ist Voraussetzung für das Wachstum von Pflanzen, daher ist die zeitliche Regulierung der vegetativen Physiologie wahrscheinlich das Ergebnis natürlicher Selektion und könnte sich einsetzen lassen, um die Ernteerträge zu steigern", wie sie betonen. Auch für die Humanmedizin könnten die Erkenntnisse von Interesse sein: Schlafgewohnheiten, Körpertemperatur, Blutdruck und physische Leistungsfähigkeit unterliegen Veränderungen im 24-Stunden-Rhythmus. "Unsere Ergebnisse liefern wertvolle Informationen darüber, wie Pflanzen und auch Menschen sich auf veränderte Tageslängen einstellen", erklärt Professor Andrew Millar von der Universität Edinburgh, Vereinigtes Königreich, Leiter der Studie, "und wir könnten vielleicht bald besser mit Unterbrechungen unseres täglichen Licht-Dunkel-Rhythmus umgehen."
Länder
Ungarn, Vereinigtes Königreich