Studie zeigt, dass Pflanzen Luftkanäle nutzen, um ein gerichtetes Lichtsignal zu erzeugen und den Phototropismus zu regulieren

Pflanzen haben keine Sehorgane. Woher wissen sie also, woher das Licht kommt? In einer Originalstudie, die Fachwissen aus Biologie und Ingenieurwesen kombiniert, hat das Team um Prof. Christian Fankhauser von der UNIL in Zusammenarbeit mit Kollegen der EPFL herausgefunden, dass ein lichtempfindliches Pflanzengewebe die optischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser zur Erzeugung nutzt ein Lichtverlauf, der für die Pflanze „sichtbar“ ist. Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

Die meisten lebenden Organismen (Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere) verfügen über die Fähigkeit, den Ursprung einer Lichtquelle zu bestimmen, auch wenn kein Sehorgan, vergleichbar mit dem Auge, vorhanden ist. Diese Informationen sind für die Orientierung bzw. optimale Positionierung in der Umgebung von unschätzbarem Wert.

Für Pflanzen ist es besonders wichtig zu erkennen, woher Licht kommt. Diese Informationen nutzen sie zur Positionierung ihrer Organe, ein Phänomen, das als Phototropismus bekannt ist. Dadurch können sie mehr Sonnenstrahlen einfangen, die sie dann durch den Prozess der Photosynthese in chemische Energie umwandeln, einen lebenswichtigen Prozess, der für die Produktion fast aller Lebensmittel, die wir essen, notwendig ist.

Obwohl der Photorezeptor, der den Phototropismus auslöst, seit langem bekannt ist, blieben die optischen Eigenschaften lichtempfindlichen Pflanzengewebes bisher ein Rätsel. Eine multidisziplinäre Studie, veröffentlicht in Wissenschaft, die das Fachwissen der Teams von DrSc bündelt. Christian Fankhauser (ordentlicher Professor und Direktor des Integrative Genomics Center an der Fakultät für Biologie und Medizin der UNIL), DrSc. Andreas Schüler (Leiter der Gruppe „Nanotechnologie für Solarenergieumwandlung“ am Labor für Solarenergie und Bauphysik der EPFL) und das Zentrum für Elektronenmikroskopie der UNIL entdeckten ein überraschendes Gewebemerkmal, das es Pflanzen ermöglicht, gerichtete Lichtsignale zu erkennen.

„Alles begann mit der Beobachtung einer Mutante der Modellart Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, deren Stamm überraschend transparent war“, erklärt Fankhauser, der die Forschung leitete. Diese Pflanzen reagierten nicht richtig auf Licht. Der UNIL-Biologe beschloss daraufhin, die Fähigkeiten seines Kollegen Schüler von der EPFL in Anspruch zu nehmen, um die spezifischen optischen Eigenschaften der Mutanten- und Wildtyp-Proben weiter zu vergleichen.

„Wir fanden heraus, dass das natürliche milchige Aussehen der Stängel junger Wildpflanzen tatsächlich auf das Vorhandensein von Luft in interzellulären Kanälen zurückzuführen ist, die sich genau in verschiedenen Geweben befinden. In den Mutantenexemplaren wird die Luft durch eine wässrige Flüssigkeit ersetzt, was ihnen eine… transluzentes Erscheinungsbild“, sagt Fankhauser.

Doch welchen Zweck erfüllen solche luftgefüllten Kanäle? Sie ermöglichen es dem lichtempfindlichen Stamm, einen Lichtgradienten aufzubauen, der von der Pflanze „gelesen“ werden kann. Die Pflanze kann dann den Ursprung der Lichtquelle bestimmen. Dieses Phänomen ist auf die unterschiedlichen optischen Eigenschaften von Luft und Wasser zurückzuführen, die den Großteil des lebenden Gewebes ausmachen.

„Genauer gesagt haben Luft und Wasser unterschiedliche Brechungsindizes. Dies führt zu Lichtstreuung, wenn es durch den Sämling geht. Wir alle haben dieses Phänomen beim Bewundern eines Regenbogens beobachtet“, erklärt Martina Legris, Postdoktorandin in Fankhausers Gruppe und Co-Erste Autor der Studie.

Dank ihrer Forschung haben die Wissenschaftler einen neuartigen Mechanismus entdeckt, der es lebenden Organismen ermöglicht, zu erkennen, woher das Licht kommt, und es ihnen ermöglicht, ihre Organe wie Blätter so zu positionieren, dass die Lichtaufnahme für die Photosynthese optimiert wird. Die Studie ermöglichte auch ein besseres Verständnis der Bildung luftgefüllter interzellulärer Kanäle, die neben der Bildung von Lichtgradienten in Pflanzen vielfältige Funktionen haben.

Diese Kanäle fördern unter anderem den Gasaustausch und ermöglichen es außerdem, einer Hypoxie (Verringerung der Sauerstoffmenge) im Falle einer Überschwemmung entgegenzuwirken. Ihre Entwicklung vom Embryonalstadium bis zum Erwachsenenalter ist noch sehr wenig verstanden. Die in dieser Studie verwendeten genetischen Ressourcen werden nützlich sein, um die Entstehung und Aufrechterhaltung dieser faszinierenden Strukturen besser zu verstehen.