Genbasiertes Modell sagt voraus, wann Japans Kirschknospen aus der Ruhephase erwachen

Japan ist im Frühling für seine Kirschblüten oder Sakura berühmt, die in der südlichen Region Kyushu zu blühen beginnen und bis in den entlegenen Norden Hokkaidos emporragen. Die am häufigsten vorkommende Kirschbaumsorte, Somei Yoshino, ist das ikonische Symbol des Frühlings, da die geklonten Bäume an jedem Standort gleichzeitig blühen und eine flüchtige Explosion weiß-rosa Blüten erzeugen, die Einheimische und Touristen gleichermaßen verzückt.

Die Blütezeitprognosen für Somei Yoshino werden schon Monate vor der Blütezeit eingehend geprüft, da Besucher ihre Reisen planen und Einheimische Feste und Feiern organisieren. Aufgrund des Klimawandels verschieben sich die Blütezeiten dieser Kirschbäume jedoch und werden immer schwieriger vorherzusagen.

Nun haben Forscher der Universität Kyushu und des Forschungsinstituts für Forstwirtschaft und Forstprodukte ein Modell entwickelt, das anhand der Genaktivität vorhersagt, wann die Knospen des Somei-Yoshino-Kirschbaums aus der Ruhephase erwachen.

Ihre Ergebnisse, veröffentlicht am 19. September in der Zeitschrift Pflanzen, Menschen, Planetkönnte nicht nur dazu beitragen, die Genauigkeit von Blütevorhersagen zu verbessern, sondern auch darauf hinweisen, dass der Klimawandel möglicherweise die Blüte in den südlichen Regionen Japans bedroht.

Bevor Kirschbäume blühen können, müssen die Knospen zwei Ruhephasen durchlaufen: Endodormanz und Ökodormanz. Um die Endodormanz zu unterbrechen, ist im Winter eine Periode ausreichend kühler Temperaturen erforderlich, während der Übergang aus der Ökodormanz im Frühjahr eine Wärmezufuhr erfordert.

„Dieser Bedarf an Kühlung und Heizung bedeutet, dass die Blütezeit sehr unvorhersehbar sein kann“, erklärt Erstautorin Atsuko Miyawaki-Kuwakado, eine JSPS-Forschungsstipendiatin (PD) von der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kyushu. „Je nach Temperatur im Herbst, Winter und Frühling kann die Blüte früher einsetzen, sich verzögern oder ganz verhindert werden.“

Wenn die Ökodormantie endet, beginnen die Knospen schnell zu wachsen und sich zu öffnen. Es ist jedoch schwierig zu wissen, wann das vorherige Stadium der Endodomantie endet, da die Knospen keine erkennbare Veränderung zeigen. Miyawaki-Kuwakado und die leitende Autorin, Professor Akiko Satake von der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kyushu, stellten jedoch die Hypothese auf, dass das Studium der inneren Funktionsweise der Knospe den Zeitpunkt dieses Schlüsselmoments aufdecken könnte.

Ab Oktober entnahmen die Forscher jeden Monat Blatt- und Knospenproben von Yoshino-Kirschbäumen an drei Standorten in Japan: Fukuoka im Süden, Tsukuba in der Mitte und Hokkaido im Norden. So erstellten sie eine Momentaufnahme der zu jedem Zeitpunkt am aktivsten aktiven Gene.

Die Forscher stellten fest, dass die Knospen der Yoshino-Kirschbäume im Allgemeinen fünf Hauptgenaktivitätsmuster durchliefen, und zwar im Frühsommer, Sommer, Herbst, Winter und Frühling, wobei jedes Aktivitätsmuster eng mit der Temperatur korrelierte.

Anschließend konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Aktivität bzw. Expressionsniveaus einer Untergruppe von Genen namens DAM, die mit der Knospenruhe in Zusammenhang stehen. Die Forscher fanden heraus, dass die Aktivität von DAM4 bei den sechs DAM-Genen eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Endodormanz spielt.

„Wir haben gesehen, dass DAM4 zu Beginn des Winters stark exprimiert wurde, aber mit jedem Tag mit Temperaturen unter 10,1 °C nahm die Aktivität von DAM4 ab. Unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts erwachten die Knospen aus der Ruhephase und blühten bei experimenteller Erwärmung“, sagt Satake.

Mithilfe eines Modells, das auf der Aktivität von DAM4 basiert, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass Yoshino-Kirschbäume etwa 61 Tage mit Temperaturen unter 10,1 °C benötigen, damit die Endodormanz endet. Anhand historischer Temperaturdaten der Japan Meteorological Agency schätzte das Team dann, dass sich das Ende der Endodormanz von 1990 bis 2020 um 2,3 Tage pro Jahrzehnt verzögerte.

In Zukunft könnten Meteorologen die geschätzten Aufwachzeiten nutzen, um ihre Vorhersagen über die Blütezeit der Yoshino-Kirschknospen zu verbessern. Die Forscher planen außerdem, das Modell zu verfeinern, um vorherzusagen, wie sich der Klimawandel auf die Blüte auswirken könnte.

„Ohne ausreichend kühle Tage im Winter kann die Endodormanz nicht gebrochen werden und die Yoshino-Knospen können nicht blühen“, sagt Miyawaki-Kuwakado. „Daher ist es wichtig, die Auswirkungen der globalen Erwärmung vorherzusagen, insbesondere in der südlichen Region Japans, damit wir versuchen können, Strategien zu entwickeln, um sie abzumildern.“