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Warum Pflanzen auch im Schatten gedeihen

Dr. Julia Rausenberger und Dr. Christian Fleck aus der Abteilung von LifeNet-Direktor Prof. Dr. Jens Timmer zeigen im Fachmagazin CELL, wie Pflanzen das Wirkungsmaximum eines Lichtrezeptors von Rot zu Dunkelrot verschieben. Deshalb gedeihen Pflanzen auch im Schatten anderer Gewächse.

Licht beeinflusst viele Prozesse im Leben einer Pflanze: Diese muss nicht nur erkennen, ob die Sonne scheint oder nicht; Unterschiede in der Helligkeit und der Zusammensetzung des Lichts steuern noch eine Reihe weiterer Reaktionen. So wird unter anderem auch das Längenwachstum über die Lichtintensität gesteuert.

Um die Lichtzusammensetzung zu erfassen, besitzen Pflanzen lichtempfindliche Proteine, sogenannte Photorezeptoren. Für den roten Bereich des Farbspektrums sind Phytochrome zuständig, die eine maximale Absorption in hellrotem Licht aufweisen. Irritierend an dieser Erkenntnis war bisher, dass Pflanzen im Schatten anderer Pflanzen gedeihen, obwohl sie nur Licht nutzen können, das stark mit dunkelroten Farbanteilen angereichert ist. Bäume, Sträucher und andere hochgewachsene Pflanzen filtern die blauen und roten Farbanteile bereits aus dem Sonnenlicht heraus, bevor dieses am Boden ankommt.

Ähnlich überraschend waren Erkenntnisse des Freiburger Biologe Prof. Dr. Karl-Max Hartmann, der bereits vor einigen Jahrzehnten zeigte, dass das Streckungswachstum von Pflanzen im Dunkelrot-Bereich des Lichtspektrums am stärksten gehemmt wird. Die Ursache dafür sowie für die starke Abhängigkeit des Streckungswachstums von der Lichtintensität konnte bisher jedoch nicht geklärt werden.

In einer Kombination aus Theorie und Experimenten klärten Forscherinnen und Forscher der Universität Freiburg und der Universität Tübingen dieses Phänomen, das als Hochintensitätsreaktion (HIR) bezeichnet wird, jetzt auf: Dr. Julia Rausenberger und Dr. Christian Fleck aus der Abteilung von Prof. Dr. Jens Timmer, Direktor der FRIAS School of Life Sciences – LifeNet, Prof. Dr. Eberhard Schäfer vom Institut für Biologie II sowie Dr. Andreas Hiltbrunner vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen präsentieren ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift CELL.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, wie höhere Pflanzen evolutionär die Fähigkeit erworben haben, auf dunkelrotes Licht zu reagieren, obwohl sie einen Photorezeptor benutzen, der eigentlich seine größte Absorption im hellroten Licht zeigt.

Bereits 1975 lieferte Schäfer eine erste theoretische Deutung für die HIR. Dennoch blieb der prinzipielle Mechanismus unverstanden. In der jetzt in CELL erscheinenden Arbeit werden die experimentellen und theoretischen Ansätze zusammengeführt, um zu einer Erklärung der HIR zu kommen. Hiltbrunner konnte dabei zeigen, dass für den Kerntransport von Phytochrom A zwei Helfer-Proteine notwendig sind. Im Zellkern lösen sie sich vom Photorezeptor und wandern zurück in das Zytoplasma, um dort für weiteren Transport zur Verfügung zu stehen. Aufbauend auf diesen experimentellen Befunden ließ sich ein mathematisches Reaktionsmodell für die Wirkung von Phytochrom A aufstellen. Daran anschließend musste herausgefunden werden, ob dieses Modell die HIR widerspiegelt und welche Reaktionen grundlegend sind, damit Phytochrom A im dunkelroten Licht wirksam ist. Rausenberger überprüfte mittels Computersimulationen das Verhalten des Reaktionsmodells für insgesamt eine Millionen Kombinationen von Konstanten. Sie stellte fest, dass das Reaktionsmodell die HIR umfassend beschreibt. Durch die mathematische Analyse reduzierter abstrakter Reaktionsmodelle wurde dann deutlich, welche Schlüsselkomponenten die Dunkelrotwirksamkeit von Phytochrom A ermöglichen. Anschließend konnten diese neu identifizierten Schlüsselkomponenten, zwei gegenläufige Photokonversionzyklen, auch im Reaktionsnetzwerk der Pflanze gefunden werden. Durch genetische und zellbiologische Methoden wurde zudem nachgewiesen, dass die Helfer-Proteine des Kerntransports die zwei gegeneinander geschalteten Photokonversionzyklen miteinander koppeln.

Julia Rausenberger, Anke Tscheuschler, Wiebke Nordmeier, Florian Wüst, Jens Timmer Eberhard Schäfer, Christian Fleck, and Andreas Hiltbrunner. (2011). Photoconversion and nuclear trafficking cycles determine phytochrome A’s response profile to far-red light. CELL 146, 5

09/2011