Wie Licht und Temperatur zusammenarbeiten, um das Pflanzenwachstum zu beeinflussen

Pflanzen verlängern und biegen sich, um den Zugang zum Sonnenlicht zu sichern. Obwohl dieses Phänomen seit Jahrhunderten beobachtet wird, verstehen Wissenschaftler es nicht vollständig. Jetzt haben Salk-Wissenschaftler entdeckt, dass zwei Pflanzenfaktoren – das Protein PIF7 und das Wachstumshormon Auxin – die Auslöser sind, die das Wachstum beschleunigen, wenn Pflanzen von einem Baldachin beschattet und gleichzeitig warmen Temperaturen ausgesetzt werden.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikation am 29. August 2022 wird Wissenschaftlern dabei helfen, vorherzusagen, wie Pflanzen auf den Klimawandel reagieren werden – und die Pflanzenproduktivität trotz des ertragsschädigenden globalen Temperaturanstiegs steigern werden.

„Im Moment bauen wir Pflanzen in bestimmten Dichten an, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wir diese Dichten verringern müssen, um das Wachstum zu optimieren, wenn sich unser Klima ändert“, sagt die leitende Autorin Professor Joanne Chory, Direktorin von Salk’s Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory und Howard Ermittler am Hughes Medical Institute. „Das Verständnis der molekularen Grundlagen, wie Pflanzen auf Licht und Temperatur reagieren, wird es uns ermöglichen, die Pflanzendichte auf eine spezifische Weise fein abzustimmen, die zu den besten Erträgen führt.“

Während des Keimens verlängern Sämlinge schnell ihre Stängel, um die bedeckende Erde zu durchbrechen und so schnell wie möglich Sonnenlicht einzufangen. Normalerweise verlangsamt der Stamm sein Wachstum, nachdem er Sonnenlicht ausgesetzt wurde. Aber der Stamm kann sich schnell wieder verlängern, wenn die Pflanze mit den umliegenden Pflanzen um Sonnenlicht konkurriert oder als Reaktion auf warme Temperaturen den Abstand zwischen dem heißen Boden und den Blättern der Pflanze vergrößert. Während beide Umweltbedingungen – Schatten der Überdachung und warme Temperaturen – das Stängelwachstum induzieren, reduzieren sie auch den Ertrag.

In dieser Studie verglichen die Wissenschaftler Pflanzen, die im Baldachinschatten und gleichzeitig bei warmen Temperaturen wuchsen – eine Bedingung, die eine hohe Pflanzendichte und den Klimawandel nachahmt. Die Wissenschaftler nutzten die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, sowie Tomaten und einen nahen Verwandten von Tabak, weil sie interessiert waren, ob alle drei Pflanzenarten in ähnlicher Weise von dieser Umweltbedingung betroffen sind.

Bei allen drei Arten stellte das Team fest, dass die Pflanzen extrem hoch wuchsen, während sie gleichzeitig versuchten, den Schatten benachbarter Pflanzen zu vermeiden und wärmeren Temperaturen ausgesetzt zu sein. Auf molekularer Ebene entdeckten die Forscher, dass der Transkriptionsfaktor PIF7, ein Protein, das dabei hilft, Gene „ein-“ und „auszuschalten“, der dominierende Akteur war, der das beschleunigte Wachstum vorantreibt. Sie fanden auch heraus, dass das Wachstumshormon Auxin zunahm, wenn die Pflanzen benachbarte Pflanzen entdeckten, was das Wachstum als Reaktion auf gleichzeitig wärmere Temperaturen förderte. Dieser synergistische PIF7-Auxin-Weg ermöglichte es den Pflanzen, auf ihre Umgebung zu reagieren und sich anzupassen, um die besten Wachstumsbedingungen zu finden.

Ein verwandter Transkriptionsfaktor, PIF4, stimulierte auch die Stängelverlängerung bei warmen Temperaturen. Bei der Kombination von Verschattung und erhöhten Temperaturen spielte dieser Faktor jedoch keine große Rolle mehr.

„Wir waren überrascht, dass PIF4 keine große Rolle spielte, da frühere Studien die Bedeutung dieses Faktors in verwandten Wachstumssituationen gezeigt haben“, sagt Erstautor Yogev Burko, ein Mitarbeiter von Salk und Assistenzprofessor an der Agriculture Research Organization der Vulkaninstitut in Israel. „Die Tatsache, dass PIF7 die dominierende treibende Kraft hinter diesem Pflanzenwachstum ist, war eine echte Überraschung. Mit diesem neuen Wissen hoffen wir, diese Wachstumsreaktion in verschiedenen Kulturpflanzen fein abzustimmen, um ihnen zu helfen, sich an den Klimawandel anzupassen.“

Die Forscher glauben, dass es noch einen weiteren Spieler gibt, der noch entdeckt werden muss, der die Wirkung von PIF7 und Auxin verstärkt. Sie hoffen, diesen unbekannten Faktor in zukünftigen Studien zu untersuchen. Burkos Labor wird außerdem untersuchen, wie dieser Weg in Nutzpflanzen optimiert werden kann.

„Die globalen Temperaturen steigen, also brauchen wir Nahrungspflanzen, die unter diesen neuen Bedingungen gedeihen können“, sagt Chory, die Salks Harnessing Plants Initiative mitleitet und den Howard H. and Maryam R. Newman Chair in Plant Biology innehat. „Wir haben Schlüsselfaktoren identifiziert, die das Pflanzenwachstum bei warmen Temperaturen regulieren, was uns helfen wird, leistungsfähigere Pflanzen zu entwickeln, um zukünftige Generationen zu ernähren.“

Weitere Autoren waren Björn Christopher Willige und Adam Seluzicki von Salk; Ondřej Novák von der Palacký-Universität und dem Institut für Experimentelle Botanik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften; und Karin Ljung von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften.