Wenn Pflanzen nicht richtig ticken

Biologen der Freien Universität haben entdeckt, wie ein Hormon die innere Uhr von Pflanzen beeinflusst

12.09.2016

Ein Defekt der inneren Uhr oder zu wenig vom Hormon Cytokinin führt bei verändertem Lichtrhythmus in der Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand) zum Zelltod. Links eine nicht gestresste Pflanze, rechts eine gestresste.
Ein Defekt der inneren Uhr oder zu wenig vom Hormon Cytokinin führt bei verändertem Lichtrhythmus in der Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand) zum Zelltod. Links eine nicht gestresste Pflanze, rechts eine gestresste. Bildquelle: Silvia Nitschke / Freie Universität Berlin

Pflanzen stimmen ihre physiologischen und entwicklungsbedingten Prozesse auf den Tagesverlauf ab, dafür nutzen sie ihre innere Uhr. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Dahlem Centre of Plant Sciences (DCPS) der Freien Universität entdeckten kürzlich einen bislang gänzlich unbekannten Stress bei Pflanzen: Der „circadiane Stress“, so die Bezeichnung durch die Forscher, wird durch eine Veränderung des Tag-Nacht-Rhythmus' ausgelöst. Das Pflanzenhormon Cytokinin spielt beim Schutz vor diesem Stress eine wichtige Rolle.

Pflanzen bleiben ihr ganzes Leben am selben Standort, sie können nicht weglaufen. Dort, wo sie wachsen, sind sie vielfältigen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Tägliche und saisonale Änderungen von Temperatur und Lichtbedingungen sowie Angriffe von Schadorganismen sind ihre ständigen Begleiter und potenzielle Stressfaktoren. In den vergangenen Jahren sind viele Mechanismen, mit denen Pflanzen sich gegen diese Einflüsse zur Wehr setzen und ihr Überleben sichern, erforscht worden. Nur ganz selten wird eine neue Art von Stress entdeckt.

Zufallsentdeckung

Manchmal hilft dabei der Zufall auf die Sprünge. Bei Reparaturarbeiten an Pflanzenwachstumskammern entdeckten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Angewandten Genetik am Institut für Biologie, dass sich die Pflanzen in diesen Kammern ungewöhnlich verhielten: Auf die Umstellung des Licht-Dunkel-Rhythmus' reagierten manche Pflanzen, indem ihre Blätter abstarben – ein Symptom von extremem Stress. Die genauere Untersuchung dieses Zufallsfundes führte zur Entdeckung einer bislang bei Pflanzen völlig unbekannten Form von Stress, für den die Wissenschaftler die Bezeichnung „circadian“ (lat. circadian: ringsum den Tag, den Tagesrhythmus betreffend) prägten. Die Ergebnisse wurden jetzt in Plant Cell, der führenden Fachzeitschrift der Pflanzenwissenschaften, veröffentlicht.

Einfluss der inneren Uhr

Dieser Stress beeinträchtigt das Funktionieren des inneren Zeitgebers der Pflanzen, der circadianen Uhr. Diese Uhr wird jeden Tag neu durch rhythmische Veränderungen in der Umwelt justiert. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind die täglichen Veränderungen von Licht und Temperatur. So wie eine echte Uhr aus vielen Rädchen und Federn besteht, setzt sich auch die circadiane Uhr aus einer Vielzahl einzelner Komponenten zusammen. Verschiedene Gene, darunter sogenannte Transkriptionsfaktoren, sind für ihre korrekte Funktion notwendig. Diese Transkriptionsfaktoren steuern, wann bestimmte Gene abgelesen und in Proteine übersetzt werden. So unterdrücken beispielsweise die Transkriptionsfaktoren CCA1 und LHY am Morgen die Übersetzung von Genen, die für Prozesse am Abend gebraucht werden.

Rolle des Hormons Cytokinin

Sobald die circadiane Uhr der Pflanzen richtig eingestellt ist, koordiniert sie verschiedenste Prozesse optimal in Abhängigkeit von der Tageszeit. Sie hat unter anderem Einfluss auf die Pflanzenhormone, die wiederum das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen kontrollieren. Zu diesen Hormonen zählt auch Cytokinin, das bei der Zellteilung und Zelldifferenzierung in Wurzeln und Sprossspitzen eine wichtige Rolle spielt.

Silvia Nitschke untersuchte in ihrer Dissertation in der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Schmülling am Dahlem Centre of Plant Sciences den Zusammenhang zwischen Cytokinin und der circadianen Uhr. Unterstützt wurde sie dabei von der Postdoktorandin Anne Cortleven sowie von Kollegen der Georg-August-Universität in Göttingen und der Aix-Marseille Université in Frankreich. Gefördert wurde die Untersuchung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Organismische Reaktionen auf Stress: Prägung und Erinnerung“.

Silvia Nitschke analysierte die dramatischen Auswirkungen eines stark veränderten Licht-Dunkel-Rhythmus bei Pflanzen mit Cytokinin-Mangel, die mit starken Stresssymptomen reagierten. Blätter dieser Pflanzen bekamen nekrotische Flecken und starben schließlich ab. Auf Pflanzen mit normalem Cytokinin-Haushalt hatten die Versuchsbedingungen hingegen keinen ausgeprägten Einfluss. Cytokinin ist also notwendig, um auf einen veränderten Licht-Dunkel-Rhythmus angemessen reagieren zu können.

Wie die innere Uhr auch unter Stress optimal läuft

Bei der näheren Untersuchung der Folgen des circadianen Stresses erkannten die Biologen, dass in Pflanzen mit Cytokinin-Mangel bei circadianem Stress die Gene CCA1 und LHY kaum aktiv sind. Infolgedessen ist das Funktionieren der inneren Uhr stark eingeschränkt. In Kontrollpflanzen mit normalem Cytokinin-Gehalt lief die innere Uhr hingegen auch bei circadianem Stress fast unbeirrt weiter. Pflanzen mit Cytokinin-Mangel waren also scheinbar nicht mehr in der Lage, den Einfluss des veränderten Licht-Dunkel-Rhythmus auf die circadiane Uhr abzupuffern. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass Cytokinin normalerweise bei circadianem Stress die Synthese eines zweiten Hormons, Jasmonsäure, unterdrückt. Geht diese Fähigkeit verloren, gibt dieses zweite Hormon in den betroffenen Blättern das Signal zum Zelltod.

Obwohl die im Labor genutzten Bedingungen in der Natur so nicht auftreten, konnten die Forscher aus ihren Experimenten wichtige Erkenntnisse ableiten. Sie konnten zeigen, dass Cytokinin ein wichtiger Bestandteil im Räderwerk der circadianen Uhr ist und vermuten, dass dieses Hormon vor allem unter Stressbedingungen dabei hilft, die Funktion des inneren Zeitgebers aufrechtzuerhalten. So wird sichergestellt, dass Prozesse, die von der inneren Uhr gesteuert werden, auch unter Stress optimal ablaufen.

Die Publikation

Silvia Nitschke, Anne Cortleven, Tim Iven, Ivo Feussner, Michel Havaux, Michael Riefler and Thomas Schmülling (2016): „Circadian Stress Regimes Affect the Circadian Clock and Cause Jasmonic Acid-Dependent Cell Death in Cytokinin-Deficient Arabidopsis Plants”, in: The Plant Cell, URL: www.plantcell.org/content/28/7/1616. DOI: http://dx.doi.org/10.1105/tpc.16.00016

Weitere Informationen

  • Prof. Dr. Thomas Schmülling, Institut für Biologie / Angewandte Genetik der Freien Universität Berlin, Telefon: 030 / 838-55808, E-Mail: tschmue@zedat.fu-berlin.de
  • Dr. Kathleen Dahncke, Projektkoordinatorin am Dahlem Centre of Plant Sciences der Freien Universität Berlin, Telefon: 030 / 838-56214, E-Mail: dcps@fu-berlin.de