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Botanik: Woher die Pflanze weiß, dass sie grün werden soll

Experimente mit einer kleinen Ackerblume haben Licht in die internen Strukturen gebracht, die den Befehl zum Ergrünen geben.
Ergrünte Arabidopsis-PflänzchenLaden...

Die Pflanzenwelt erstrahlt jedes Frühjahr in lichtem Grün, weil ihre Blätter den natürlichen Farbstoff Chlorophyll bilden. Aber wie weiß eine Pflanze eigentlich, wann es Zeit ist, das Blattpigment herzustellen? Wie ein Forschungsteam von der University of California in Riverside jetzt in »Nature Communications« schildert, spielt das Licht hierbei selbst eine bislang übersehene Rolle: Es knipst einen Schalter in den Zellkernen an und startet so ein Signal zum Ergrünen.

Ausgangspunkt sind so genannte Fotorezeptoren: Proteine, die auf Licht reagieren und bei Pflanzen Phytochrome heißen. Sie stecken meist in den Zellkernen, den Kontrollzentren der Zellaktivitäten. Sobald die im Dunkeln gekeimten Pflanzen aus der Erde sprießen, aktiviert der erste Lichtstrahl die Phytochromrezeptoren – woraufhin die Fotosynthese in Gang kommt, Kohlendioxid zu Zucker umgesetzt wird und die Pflanze wächst. Die Details des Aktivierungsvorgangs waren bisher allerdings unklar. Nun zeigen die Forscher aus Kalifornien, wie der Zellkern den Plastiden der Zelle signalisiert, sich in fotosynthetisch aktive Chloroplasten mit grünem Chlorophyll-Farbstoff zu verwandeln.

Die lichtaktivierten Phytochrome verändern jedoch die Expression einer großen Zahl von Genen, wie die Forscher ermittelten. Um herauszufinden, welche der 25 000 möglichen Gene für das Ergrünen wichtig sind, manipulierte das Team um den Zellbiologen Meng Chen daher die Gene des botanischen Lieblingsversuchskaninchens, des Wildkrauts Ackerschmalwand. Eine bestimmte veränderte Variante wuchs normal, bildete aber keine Chloroplasten. Das lag, wie der DNA-Vergleich mit der Wildpflanze nahelegt, vor allem an zwei Schlüsselgenen: Fehlten diese, reagierten die Pflanzen nicht auf Licht. Sie wurden zwar trotzdem groß, aber nicht grün.

Arabidopsis-Jungpflanze, eine davon mit grünen, zwei mit nahezu weißen Keimblättern Laden...
Arabidopsis-Pflänzchen | Links der unveränderte Sämling der Wildpflanze mit grünen Keimblättern, rechts zwei gentechnisch manipulierte Varianten, die bei Licht zwar wachsen, deren Blätter aber kaum Chlorophyll bilden.

»Die Aktivierung der Phytochrome durch Licht triggert die Expression der mit der Fotosynthese assoziierten Gene«, berichten die Forscher. Entscheidend für diesen hauptsächlich vom Kern aus kontrollierten Prozess ist dabei der Abbau der beiden Transkriptionsfaktoren PIF1 und PIF3: Im Dunkeln unterbinden diese beiden den Aufbau des Fotosyntheseapparats in den Plastiden. Erst wenn sie nach einem Lichtreiz vermehrt abgebaut werden, stellt die Pflanze ein weiteres Werkzeug her, die RNA-Polymerase PEP. Diese kurbelt dann die Aktivität aller weiteren in den grünen Chloroplasten wichtigen Gene an. »Bisher wussten wir nicht, was die Plastiden dazu bringt, ihre Fotosynthese-Gene zu aktivieren«, freut sich Meng Chen, der die Kommunikation von Phytochromen seit mehr als 15 Jahren erforscht.

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