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Frühe Blüte bei lädierter biologischer Uhr

16.05.2012
Gerste hat sich durch eine Veränderung der inneren Uhr an nördliche Anbaugebiete mit kurzen Sommern angepasst

Eine in Skandinavien verwendete Sommergerste hat Wissenschaftlern vom Max Planck Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln vom John Innes Centre in Norwich zufolge zwar eine ramponierte innere Uhr, ist aber trotzdem sehr ertragreich. Ihr Trick: Sie dämpft die biologische Zeitmessung durch eine Mutation und kann dadurch auch bei kurzem Tageslicht einen Stoffwechsel in Gang setzen, der bei den hiesigen Sommergersten an lange Tage und kurze Nächte gebunden ist. Deshalb blüht sie viel früher.


Die Blütenbildung der Gerste verläuft in verschiedenen Phasen. Nach der Keimung bildet sich aus vegetativem Wachstumsgewebe das Blütenbildungsgewebe (links). Aus diesem entsteht die Ähre mit den noch nicht entwickelten Blütenanlagen (3. v.links), die sich während des Halmwachstums zu fertigen Blütchen ausbilden (rechts). Die Dauer dieser Phasen schwankt unabhängig voneinander und hängt sowohl von der Umwelt als auch den Genen der Pflanze ab. Jede Entwicklungsphase beeinflusst den Ertrag auf unterschiedliche Weise: In der frühen Entwicklungsphase bis zur Ausbildung der fertigen Ähre wird die Anzahl der Ähren pro Pflanze festgelegt. © MPI für Pflanzenzüchtungsforschung

Die Wildgerste wurde vor etwa 10.000 Jahren im Nahen Osten domestiziert, einer Region, die man den fruchtbaren Halbmond nennt. Sie ist eine Langtagpflanze und braucht zur Bildung von Blüten mindestens zwölf Stunden Licht am Tag. Man unterscheidet zwischen Winter- und Sommergerste, wobei die Wintergerste die ursprüngliche Form ist. Sie wird im Herbst ausgesät, wächst im Winter heran und blüht nach einem ausreichenden Kältereiz im Frühjahr, wenn die Tage länger werden. Sommergerste wird im Frühjahr gesät. Sie braucht keinen Kältereiz und blüht an langen Tagen erst mit Verzögerung. In Deutschland wird Sommergerste zum Bierbrauen benutzt. Wintergerste als Viehfutter.

Gerste ist sehr anpassungsfähig und gedeiht in den Trockengebieten Vorderasiens, auf den Höhenlagen Tibets, in den Subtropen und an der Polargrenze. Für die kalten Gegenden mit kurzer Vegetationsperiode hat man schon vor Jahrzehnten eine frühblühende Variante aus den spät blühenden Sommergersten herausgelesen. Diese Sorte ist sehr ertragreich und gut an die Standorte in Nordeuropa angepasst. Maria von Korff und ihre Kollegen haben nun untersucht, was die genetische Grundlage für die frühe Blüte ist und worin sich die an nördliche Standorte angepasste Sorte von den spät blühenden Sorten in Mitteleuropa unterscheidet. Die Genetiker konnten zeigen, dass die an den Norden angepasste Sorte eine Mutation enthält, die die innere Uhr beschädigt. Das mutierte Protein trägt den kryptischen Namen EAM8. Dass dieses Protein etwas mit der inneren Uhr zu tun hat, zeigte der Vergleich mit der Modellpflanze Arabidopsis, der Ackerschmalwand. EAM8 ist das genetische Pendant der Gerste zu einem Uhr-Protein in Arabidopsis, dem ELF3-Protein. „Die Zeitmessung fällt durch die Mutation dieses genetischen Pendants zwar wahrscheinlich nicht völlig aus“, kommentiert von Korff die Befunde, „aber sie funktioniert auch nicht mehr richtig. Sie ist gedämpft und läuft schneller ab als üblich.“

Tiere und Pflanzen haben im Laufe der Evolution eine innere Uhr entwickelt, mit der sie ihr Verhalten und wichtige Stoffwechselfunktionen optimal an die im Tagesverlauf wechselnden Umweltbedingungen anpassen. So hilft der innere Schrittmacher den Pflanzen in die Zukunft zu schauen und Vorhersagen über Tageslänge, Temperatur und Licht- und Schattenverhältnisse zu machen. Deshalb verbessern Pflanzen mit der biologischen Uhr ihre Fitness und die Zahl ihrer Nachkommenschaft. „Unseres Wissens nach ist noch nie gezeigt worden, dass die eingeschränkte Funktion der inneren Uhr zu einer besseren Anpassung und höherem Ertrag in Kulturpflanzen führen kann“, sagt von Korff.

Die Wissenschaftler aus Köln und Norwich konnten auch zeigen, wie die an den hohen Norden angepasste Sorte dieses Kunststück vollbringt. Offensichtlich wird in dieser Sorte der Blühstoffwechsel induziert, der an Langtagbedingungen geknüpft ist. Die EAM8-Mutation gaukelt der Pflanze lange Tage vor ohne dass es sie tatsächlich gibt. Die Folge ist, dass der Übergang vom vegetativen Wachstum zur Blütenbildung beschleunigt wird und die Gerste viel früher als andere Sommergersten blüht. Von Korff und ihre Kollegen konnten zudem zeigen, dass die EAM8-Mutation dazu führt, dass unter Kurzzeitbedingungen mehr von dem Protein HvFT1 gebildet wird. Zu HvFT1 gibt es ebenfalls ein Pendant in Arabidopsis und zwar das sogenannte Florigen. Dieses Eiweiß transportiert das Signal „Es ist jetzt Zeit zu blühen“ von den Blättern, wo es gebildet wird, zum Ende der Sprossachse, wo dann die Blüten entstehen. Mit dem Auftauchen des durch EAM8 induzierten HvFT1-Proteins am Ende der Sprossachse beginnt in der an nördliche Standorte angepassten Sorte die Blütenbildung.

Die Arbeiten der Kölner Gruppe sind für die Züchtung neuer an extreme Bedingungen angepasste Sorten interessant. Durch den Klimawandel werden sich die Anbaugebiete in Zukunft weiter verschieben und es müssen auch immer wieder neue Gebiete erschlossen werden. So ist diese Mutante auch interessant für mediterrane Anbaugebiete, die zunehmend unter Hitze und Wassermangel leiden, denn frühblühende Gersten sind besser an die verkürzten Wachstumsperioden angepasst.
Ansprechpartner
Dr. Maria von Korff
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
Telefon: +49 221 5062-247
Fax: +49 221 5062-207
Email: korff@­mpiz-koeln.mpg.de

Originalveröffentlichung
Sebastien Faure, Adrian S. Turner, Damian Gruszka, Vangelis Christodoulou, Seth J. Davis, Maria von Korff, David A. Laurie
Mutation at the circadian clock gene EARLY MATURITY 8 adapts domesticated barley (Hordeum vulgare) to short growing seasons

PNAS 7. Mai 2012 online vorab veröffentlicht, doi: 10.1073/pnas.1120496109

Dr. Maria von Korff | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/5793173/gerste_innere_uhr

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