Biorhythmen von Pflanzen im Freiland erforschen – dank Förderung des Europäischen Forschungsrats

Aus Brüssel werden insgesamt 2,49 Millionen Euro zur Verfügung gestellt, um ein Projekt aus den Pflanzenwissenschaften mit der Kurzbezeichnung „Clockwork Green“ durchzuführen. Dazu werden neue Arbeitsplätze für Techniker und Wissenschaftler geschaffen.

Bei den geplanten ökologischen Feldstudien werden gentechnisch veränderte Pflanzen freigesetzt, deren innere Uhr nicht mehr im Einklang mit dem natürlichen Tag/Nachtrhythmus funktioniert. Die Versuche werden ausschließlich in den USA durchgeführt. Im Vergleich mit nicht veränderten Pflanzen ist es so möglich herauszufinden, welche genetischen und physiologischen Vorgänge – von der Samenkeimung bis zur Samenreife – von der inneren Uhr abhängig sind, damit Pflanzen in der Wildnis bestehen können.

Ökologische Effizienz braucht zeitliche Koordination

Leben und Sterben an gegebenen Standorten hängt davon ab, ob ein Organismus zur richtigen Zeit das richtige tut, oder in anderen Worten: Zeiteinteilung ist maßgeblich für das Überleben in der Natur. Biologen gehen inzwischen davon aus, dass alle Lebensformen eine zelluläre, innere Uhr besitzen. Bei vielen verschiedenen Spezies aus dem Reich der Pilze, Insekten, Pflanzen und auch beim Menschen ist ihr molekularer Mechanismus bereits sehr gut verstanden und man nimmt an, dass die „circadian clock“ eine optimale Anpassung der Organismen an die jeweils herrschenden Umweltbedingungen ermöglicht – jedoch wurde dies noch nie in der freien Natur über mehrere Vegetationsperioden hinaus gezeigt.

Primärproduzent Pflanze

In den meisten terrestrischen Nahrungsketten stehen die Pflanzen am Anfang. Sie fangen die Sonnenenergie ein und produzieren Zucker, Stärke, Eiweiße und Fette, von denen das Leben aller nicht-photosynthetisch aktiven Lebensformen abhängt – sei es der Pilz, der die Blätter befällt, oder das Kaninchen, das seine vegetarische Mahlzeit zu sich nimmt. Tagesrhythmen von Pflanzen sind sehr gut erforscht: Blattbewegungen, Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen und der photosynthetische Stoffwechsel werden durch die innere Uhr gesteuert. Auch Genexpression erfolgt in Pflanzen tagesrhythmisch – interessanterweise sind über 30% aller Pflanzengene (ein Pflanzengenom umfasst durchschnittlich 25000 Gene) unter tageszeitlicher Kontrolle. Die ökologische Bedeutung der meisten dieser Gene ist jedoch nicht bekannt. Welche Rolle spielen sie für Überleben und Fortpflanzung und wie entscheidend ist der tageszeitliche Verlauf ihrer Ausprägung?

Genau das soll im Projekt „Clockwork Green“ herausgefunden werden. Transgene Tabakpflanzen werden zum Einsatz kommen, in denen die innere Uhr nicht mehr funktioniert, weil eines der vielen „Uhren-Gene“, beispielsweise NaTOC1, abgeschaltet wurde. Diese Pflanzen werden in ihrem natürlichen Biotop, dem Great Basin Desert in Utah, USA, freigesetzt, wo sie zusammen mit wildem, unverändertem Tabak aufwachsen. Untersucht werden alle Entwicklungsstufen: von der Samenkeimung bis zur Bildung neuer Samen in den Blüten. Hinzu kommt die Bestimmung verschiedener ökologischer Parameter, beispielsweise der Befallsdruck von Fraßfeinden, mikrobieller Pathogene und auch die Beobachtung des Verhaltens von Bestäubern. Parallel werden genetische und stoffwechselphysiologische Messungen an den „rhythmischen“ und „arrhythmischen“ Pflanzen vorgenommen. Auch werden transgene Pflanzen zum Einsatz kommen, bei denen die „Arrhythmie“ erst nach Blatt-, Spross oder Blütenbildung mittels Zugabe des chemischen Induktors Dexamethasone hervorgerufen wird. „Hier besteht eine gewisse Ähnlichkeit zu Stanley Kubricks Film „Clockwork Orange“, nur wird dort das abweichende Verhalten des Protagonisten durch Musik aus der 9. Sinfonie von Beethoven hervorgerufen“, so Ian Baldwin.

Die Ergebnisse werden zeigen, welche Gene durch die innere Uhr gesteuert werden und welche Gene für ein optimales Gedeihen der Pflanze nötig sind. Denkbar ist, dass es verschiedene Gene sind, die je nach Lebensabschnitt (Samenkeimung – Blattentwicklung – Blütenbildung – Bestäubung – Samenbildung) überlebenswichtige Funktionen übernehmen. Weil das „Timing“ von Pflanzenwachstum auch in der Landwirtschaft eine große Rolle spielt – synchrone Keimung des Saatguts oder gleichmäßige Blüten- und Fruchtbildung beispielsweise bei Getreide, Mais oder Raps – könnte das Projekt auch aus Sicht der Pflanzenzüchtung und des Pflanzenschutzes wichtige Ergebnisse liefern.

Über den Europäischen Forschungsrat

Mit Beginn des 7. Forschungsrahmenprogramms der EU in 2007 nahm eine neue Institution ihre Arbeit auf: Der europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC). Der ERC fördert gezielt Vorhaben aus der Grundlagenforschung, um Spielräume und die notwendige forscherische Freiheit zu schaffen, damit unbekanntes Terrain in Naturwissenschaft und Technik und auch in den Geisteswissenschaften erobert und erschlossen werden kann. Die einst von Max Planck geäußerte Einsicht, dass „dem Anwenden das Erkennen vorausgehen muss“, ist bei den Überlegungen, europäische Wissenschaft grundlegend und vor allem großzügig zu fördern, maßgeblich mit eingeflossen. Insgesamt 7,5 Milliarden Euro stellt die EU-Kommission dem ERC zur Verfügung, die bis 2013 in die europäische Spitzenforschung fließen werden; das sind 15% der gesamten Forschungsförderung des 7. Rahmenprogramms. Wissenschaftler können bis zu 2,5 Millionen Euro für ihre Projekte erwarten, wenn das von ihnen beantragte Projekt von einem internationalen wissenschaftlichen Gremium als besonders förderungswürdig anerkannt wird. Dabei stehen die Exzellenz der Bewerber und die Originalität ihrer Forschungsvorhaben an erster Stelle. In diesem Jahr hatten 13% aller Bewerber Erfolg, nach Deutschland gingen 52 der begehrten ERC-Grants. [JWK]

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Ian T. Baldwin, baldwin@ice.mpg.de, Tel. +49 3641 57 1101
Dr. Jan W. Kellmann, jkellmann@ice.mpg.de, Tel. +49 3641 57 1000
Bildmaterial:
Angela Overmeyer M.A., overmeyer@ice.mpg.de, Tel. +49 3641 57 2110,
oder per Download via http://www.ice.mpg.de/ext/735.html