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Botanik: Blatt-Schalter

Um effektiv Sonnenlicht einzufangen und Gase mit der Atmosphäre auszutauschen, entfalten Pflanzen zahlreiche Blätter. Aber welcher Kontrollpunkt stellt die Weichen für ihre Entstehung und bremst ihr Sprießen unter ungünstigen Lebensbedingungen?
<i>Arabidopsis thaliana</i>
Alle Jahre wieder veranstaltet die Natur ein buntes Spektakel: Wenn die Tage merklich kürzer und die Nächte kühler werden, treffen die Bäume ihre Wintervorbereitungen und lassen ihre Blätter bedingt durch den Abbau von Chlorophyll in Rot-, Gelb- und Brauntönen leuchten. Doch die belaubten Gewächse beeindrucken nicht nur im Herbst mit ihrem Farbenspiel, sondern liefern auch Nahrung für viele Lebewesen, setzen Sauerstoff zum Atmen frei und beeinflussen das globale Klima. Kurzum: Als Primärproduzenten kommt den Pflanzen eine zentrale Bedeutung zu – insbesondere ihren Blättern mit den unzähligen Miniaturfabriken der Fotosynthese.

Normaler Keimling
Normaler Keimling | Mit Hilfe des Gens BPS1 in den Wurzeln kontrolliert die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) das Wachstum ihrer Sprossanhängsel. Ist die Erbanlage intakt, bringt der Sämling vier Blätter und zwei kleinere Keimblätter hervor.
Doch wie wachsen diese wichtigen Organe? Bereits bekannt ist, dass eine Vielfalt von Hormonen – Zytokinine, Abscisinsäure und Abkömmlinge der Karotinoide – eine Rolle spielen, wenn die Wurzeln Signale Richtung Spross, also an Stängel, Blätter, Blüten und Früchte, senden. Weitgehend rätselhaft blieb hingegen bislang, wie aktive Erbanlagen in den unterirdischen Pflanzenteilen diese chemischen Befehle kontrollieren. Nun stießen Jaimie Van Norman und ihre Kolleginnen von der Universität von Utah bei ihren Studien an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) auf ein verdächtiges Gen, das sie BYPASS1 oder BPS1 tauften.

Normale Keimlinge brachten während ihres Wachstums eine zunehmende Anzahl von flachen, breiten und rundlichen Blättern hervor, beobachteten die Forscherinnen. Eine Variante mit verändertem BPS1-Gen entfaltete indes nur zwei kleinere Anhängsel, die zudem die Gestalt eines Dreiecks aufwiesen. Vermutlich übermittelten die Wurzeln hier ein Signal, welches das Blattwachstum stoppte. Um diese These zu überprüfen, zogen die Wissenschaftlerinnen mutierte Sämlinge heran, schnitten ihre Wurzeln ab und setzten sie anschließend auf Agar-Nährböden.

Mutierter Keimling
Mutierter Keimling | Ist das Gen BPS1 defekt, produziert der Sämling nur zwei Keimblätter, aber keine normalen Blätter.
Zunächst produzierten die derartig behandelten Sprosse zwei relativ normale flache Blätter. Doch dann begannen sie, ein drittes Blatt von kleiner und ungewöhnlicher Form zu entwickeln – genau zu dem Zeitpunkt, als der Keimling neue Wurzeln ansetzte. Fortan kappten die Forscherinnen die Wurzeln immer wieder, sobald diese anfingen, sich zu regenerieren. Und die Setzlinge brachten stets nur gewöhnliche Blätter hervor. In einem weiteren Experiment verpflanzte das Team die Wurzeln der Mutanten auf gesunde vier Tage alte Triebe. Diese entfalteten daraufhin kleine Blätter – aber keine weiteren folgten.

Wie die Experimente nahe legen, produziert das Gen BPS1 ein Protein, das als "negativer Regulierer" agiert – vergleichbar dem Griff eines Wasserhahns: In einer normalen Pflanze hält BPS1 den Wasserhahn verschlossen und lässt die Blätter sprießen, erläutern die Forscherinnen. Verschlechtern sich hingegen die Lebensbedingungen – ist beispielsweise Wasser Mangelware oder der Boden verdichtet – öffnet es den Hahn, sodass eine wachstumshemmende Substanz von den Wurzeln in den Spross gelangt und die Entwicklung der Blätter stoppt. Bei Pflanzen mit mutiertem BPS1-Gen ist der Wasserhahn ebenfalls weit aufgedreht. Nur wenn ihre Wurzeln regelmäßig gestutzt wurden, kam der Fluss des wachstumsbremsenden Hormons zum Erliegen.

Um zu bestimmen, welche Art von Hormonen das Sprießen der Blätter abschaltet, behandelten die Wissenschaftlerinnen Ackerschmalwand-Pflanzen mit kleinen Mengen eines Herbizids, das die Produktion von Karotinoiden hemmt. Individuen mit defektem BPS1-Gen entwickelten nun völlig normale Blätter – obwohl sie infolge des Fehlers eigentlich "verkrüppelte" Blätter aufweisen müssten. Anschließende Versuche mit dem Karotinoid Zeaxanthin brachte die Blattentwicklung bei mutierten Pflanzen sogar noch stärker durcheinander. Demnach handelt es sich bei der wachstumshemmenden Chemikalie wahrscheinlich um ein noch unbekanntes Mitglied aus der Klasse der Karotinoide, das sich von Zeaxanthin ableitet, folgern die Forscherinnen.

Vermutlich existiert das BPS1-Gen, weil "Pflanzen unbewegliche Organismen sind", mutmaßt Van Norman. "Sie müssen in der Lage sein, ihre Umgebung sowohl über als auch unter der Erde wahrzunehmen und auf Veränderungen der Umwelt zu reagieren." In weiteren Studien planen die Wissenschaftlerinnen nun, nähere Details der Funktion von BPS1 zu enthüllen, das spezifische wachstumshemmende Karotinoid zu identifizieren und präzise nachzuvollziehen, wie dieses Hormon die Blattentfaltung verhindert. Zudem möchten sie herausfinden, wie Pflanzen in ihrer normalen Umgebung BPS1 und sein freigesetztes Signal nutzen. Gelänge es einst diesen Prozess zu manipulieren, könnten genetisch veränderte Nutzpflanzen unter trockenen Bedingungen produktiver sein, spekuliert Leslie Sieburth aus dem Team.
05.10.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 05.10.2004

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