Pflanzen sind stark länglich und biegen sich, um den Zugang von Sonnenlicht zu jedem ihrer Blätter zu ermöglichen. Obwohl dieses Phänomen seit Jahrhunderten beobachtet wird, verstehen Wissenschaftler es nicht vollständig. Nun haben Wissenschaftler des Salk Institute herausgefunden, dass zwei Pflanzenfaktoren – das Protein PIF7 und das Wachstumshormon Auxin – Auslöser sind, die das Wachstum beschleunigen, wenn Pflanzen im Schatten stehen und gleichzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt sind. offizielle Website des Instituts.
Die Ergebnisse, die am 29. August 2022 in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, werden Wissenschaftlern dabei helfen, vorherzusagen, wie Pflanzen auf den Klimawandel reagieren und die Erträge steigern werden, obwohl die globale Erwärmung den Pflanzen schadet.
„Im Moment bauen wir Feldfrüchte mit einer bestimmten Dichte an, aber unsere Ergebnisse zeigen, dass wir diese Dichte verringern müssen, um das Pflanzenwachstum angesichts des Klimawandels zu optimieren“, sagt Seniorautorin Professor Joanne Chory, Direktorin des Plant Molecular des Salk Institute and Cell Biology Laboratory und Howard, Forscher am Hughes Medical Institute. „Das Verständnis der molekularen Grundlagen, wie Pflanzen auf Licht und Temperatur reagieren, wird es uns ermöglichen, die Pflanzdichte fein abzustimmen, um die besten Erträge zu erzielen.“
Während der Keimung verlängern Sämlinge schnell ihre Stängel, um den Boden zu durchbrechen und so schnell wie möglich Sonnenlicht einzufangen. Normalerweise verlangsamt der Stamm sein Wachstum, nachdem er Sonnenlicht ausgesetzt wurde. Doch der Stängel kann sich schnell wieder verlängern, wenn die Pflanze mit umliegenden Pflanzen um Sonnenlicht konkurriert oder als Reaktion auf steigende Temperaturen den Abstand zwischen dem heißen Boden und den Blättern der Pflanze vergrößert. Beide Umweltbedingungen – Schatten und hohe Temperaturen – fördern zwar das Stängelwachstum, reduzieren aber auch die Erträge.
In dieser Studie verglichen die Wissenschaftler Pflanzen, die gleichzeitig im Schatten und bei warmen Temperaturen wachsen – Bedingungen, die hohe Pflanzdichten und den Klimawandel nachahmen. Die Wissenschaftler nutzten die Modellpflanze Arabidopsis thaliana sowie die Tomate und einen nahen Verwandten des Tabaks, weil es sie interessierte, ob alle drei Pflanzenarten gleichermaßen von diesen Umweltbedingungen betroffen sind.
Bei allen drei Arten stellte das Forscherteam fest, dass die Pflanzen extrem hoch wuchsen, wenn sie gleichzeitig versuchten, den Schatten benachbarter Pflanzen zu meiden und höheren Temperaturen ausgesetzt waren. Auf molekularer Ebene fanden die Forscher heraus, dass der Transkriptionsfaktor PIF7, ein Protein, das dabei hilft, Gene ein- und auszuschalten, das Wachstum ankurbelte. Sie fanden auch heraus, dass die Konzentrationen von Auxin, einem Wachstumshormon, anstiegen, wenn Pflanzen benachbarte Pflanzen fanden, was das Wachstum als Reaktion auf gleichzeitig höhere Temperaturen förderte. Dieser synergistische PIF7-Auxin-Weg ermöglichte es Pflanzen, auf ihre Umgebung zu reagieren und sich auf der Suche nach den besten Wachstumsbedingungen anzupassen.
Ein verwandter Transkriptionsfaktor, PIF4, stimulierte ebenfalls die Stängelverlängerung bei hohen Temperaturen. Bei einer Kombination aus Schatten und erhöhten Temperaturen spielte dieser Faktor jedoch keine große Rolle mehr.
„Wir waren überrascht, dass PIF4 keine wichtige Rolle spielt, da frühere Studien die Bedeutung dieses Faktors in verwandten Wachstumssituationen gezeigt haben“, sagt der Erstautor der Studie, Yogev Burko, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Salk Institute und außerordentlicher Professor an der Organisation für landwirtschaftliche Forschung am Israel Volcanoes Institute. „Die Tatsache, dass PIF7 der dominierende Wachstumstreiber für diese Anlage ist, war eine echte Überraschung. Mit diesem neuen Wissen hoffen wir, die Wachstumsreaktion verschiedener Nutzpflanzen feinabstimmen zu können, um ihnen bei der Anpassung an den Klimawandel zu helfen.“
Die Forscher glauben, dass noch ein weiterer Faktor entdeckt werden muss, der die Wirkung von PIF7 und Auxin verstärkt. Sie hoffen, diesen unbekannten Faktor in zukünftigen Studien zu untersuchen. Das Labor von Berko wird auch untersuchen, wie dieser Weg in Nutzpflanzen optimiert werden kann.
„Die globalen Temperaturen steigen, also brauchen wir Nahrungspflanzen, die unter diesen neuen Bedingungen wachsen können“, sagt Chori, Co-Leiterin der Salk Plant Use Initiative und Howard H. und Maryam R. Newman Lehrstuhl für Pflanzenbiologie. „Wir haben die Schlüsselfaktoren identifiziert, die das Pflanzenwachstum bei hohen Temperaturen regulieren, was uns helfen wird, produktivere Pflanzen anzubauen, um zukünftige Generationen zu ernähren.“