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Wie ein molekularer Mechanismus für eine frühe Blüte sorgt

23.10.2015

Pflanzen passen ihre Blütezeit der Temperatur an. Doch was genau löst ihre Blüte auf molekularer Ebene aus? Kann dieser Faktor das Blühen an- oder ausknipsen und damit auf ein verändertes Klima reagieren? In PLOS Genetics beschreibt ein Team um Professor Claus Schwechheimer von der TU München (TUM) einen molekularen Mechanismus, mit dem Pflanzen ihre Blütezeit an geänderte Umgebungstemperaturen anpassen. Die Forscher zeigen damit Wege auf, den Blühzeitpunkt aufgrund genetischer Informationen vorherzusagen.

Um zum optimalen Zeitpunkt zu blühen, sind für Pflanzen Faktoren wie Temperatur, Tageslänge und Temperaturschwankungen entscheidend. Während die Mechanismen, welche vor und nach dem Winter zur Blüte führen, inzwischen weitgehend geklärt sind, ist noch relativ wenig darüber bekannt, wie Pflanzen ihre Blütezeit während eines kalten Frühlings nach hinten verschieben.


Die Forscher haben den Mechanismus gefunden, der bei der schottischen Ackerschmalwand eine um zwei Wochen frühere Blüte auslöst als bei ihren Verwandten in wärmeren Regionen.

(Foto: U. Lutz/ TUM)

Gerade mit Blick auf die globale Erderwärmung mit relativ kleinen Temperaturschwankungen spielen aber solche Prozesse eine große Rolle. Denn vom richtigen Blühzeitpunkt hängt auch der Ertrag auf dem Acker ab – und der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana sichert er das Überleben im täglichen Überlebenskampf der Evolution.

Entscheidendes Gen für Frühblüher

In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift PLOS Genetics beschreibt das Team um Professor Claus Schwechheimer von der TUM in enger Zusammenarbeit mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Neuherberg und dem Max-Planck-Institut in Tübingen den molekularen Mechanismus, mit dem die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana ihren Blühzeitpunkt an die Umgebungstemperatur anpasst.

Interessanterweise kam der erste Hinweis für die Existenz dieser natürlichen Genvariation aus dem kühlen Schottland, weil dort die Ackerschmalwand trotz kühler Temperaturen früher blüht. So fanden die Wissenschaftler einen molekularen Mechanismus, der bei der schottischen Ackerschmalwand eine um zwei Wochen frühere Blüte auslöst als bei ihren Verwandten aus wärmeren Gegenden. Durch die Insertion eines sogenannten springenden Gens (Transposon) war die Bildung des entscheidenden Gens so gering, dass die Funktion dieses Blühverhinderers (Repressors) nicht mehr zum Tragen kam.

Und nicht nur das: Daneben konnte Ulrich Lutz, Erstautor der Studie, aufzeigen, dass diese Genveränderung sich bereits in mehreren anderen Varianten der Ackerschmalwand weltweit durchgesetzt hat und dort das Blühverhalten kontrolliert. Hier konnte der Weg sogar in umgekehrter Richtung beschritten werden und die Forscher hatten die Möglichkeit das Blühverhalten der Ackerschmalwand aufgrund des Vorhandenseins des springenden Gens mit hoher Präzision vorherzusagen. Dieses Wissen auf das Blühverhalten von Nutzpflanzen wie den Raps zu übertragen, sollte in naher Zukunft möglich sein.

Forschung hilft dabei, ökologische Folgen des Klimawandels abzuschätzen

„Mit unserer Forschung liefern wir einen Beitrag dazu, die ökologischen Folgen der Klimawandels abschätzen zu können“, sagt Schwechheimer – „denn die Erderwärmung wird bei vielen Pflanzen ein verändertes Blüteverhalten mit sich bringen. Die Auswirkungen dieser Temperaturveränderung auf die Pflanzenwelt, aber auch auf die von ihnen abhängigen Lebewesen, müssen wir Forscher besser verstehen.“

Pflanzen reagieren auf die Erfahrung eines langen kalten Winters und auf längere Kälteperioden im Frühjahr durch eine Verzögerung des Blütezeitpunkts. Die molekularen Mechanismen, mit denen die Pflanzen diese Kälteperioden wahrnehmen, sind jedoch unterschiedlich. Bei Wintergetreiden wie dem Winterweizen kann der Samen im Herbst auskeimen, die Pflanze kommt aber nicht zur Blüte, denn sie bedarf erst der Erfahrung des Winters als Weckruf, dass der richtige Zeitpunkt fürs Blühen gekommen ist.

Erkenntnisse für Lebensmittelproduktion wichtig

Die Gene für diese Regulation sind bereits in vielen Pflanzen bekannt. Im Sommerweizen etwa sind sie durch herkömmliche Züchtung so verändert, dass die Pflanze selbst dann blüht, wenn sie erst im Frühjahr ausgesät wird. Auch die Temperaturen in einem kühlen oder warmen Frühling beeinträchtigen das Blühverhalten, doch sind die Kenntnisse darüber noch sehr eingeschränkt. Da sich schon kleine Veränderungen von wenigen Grad Celsius negativ auf die landwirtschaftliche Produktion auswirken können, ist es wichtig diese Prozesse zu verstehen.

Die Ergebnisse des Teams vom TUM-Lehrstuhl für Systembiologie der Pflanzen können künftig dabei helfen, die Blütezeit vorherzusagen oder sogar zu modifizieren. Ebenso für die Pflanzenzüchtung sind solche Erkenntnisse bei fortschreitender globaler Erwärmung wichtig, um die Produktion von Lebensmitteln dauerhaft zu sichern.

Publikation:
Ulrich Lutz, David Posé, Matthias Pfeifer, Heidrun Gundlach, Jörg Hagmann, Congmao Wang, Detlef Weigel, Klaus F. X. Mayer, Markus Schmid, Claus Schwechheimer: Modulation of Ambient Temperature-Dependent Flowering in Arabidopsis thaliana by Natural Variation of FLOWERING LOCUS M, PLOS Genetics October 22, 2015. DOI:10.1371/journal.pgen.1005588

Kontakt:
Prof. Dr. Claus Schwechheimer
Technische Universität München
Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen
Tel: +49/(0)8161/71 2880
E-Mail: claus.schwechheimer@wzw.tum.de
http://www.sysbiol.wzw.tum.de/index.php?id=2

Ulrich Lutz
Technische Universität München
Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen
Tel: +49/(0)8161/71 2879
E-Mail: ulrich.lutz@wzw.tum.de

Weitere Informationen:

http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/32705/

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

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