Warum folgen Sonnenblumen der Sonne? Wissenschaftler entdecken neuen Mechanismus →

Zusammengestellt von: Gong Zixin

Sonnenblume

Bekannt für seine Fähigkeit, der Sonne den ganzen Tag über zu folgen

Aber wie „sieht“ es die Sonne?

Und was folgt daraus?

Neue Forschungsergebnisse von Pflanzenbiologen der UC Davis, die am 31. Oktober in der Fachzeitschrift PLOS Biology veröffentlicht wurden, zeigen, dass sie einen neuartigen Mechanismus verwenden, der sich von bisher angenommenen unterscheidet.

„Das war eine völlige Überraschung“, sagte Stacey Harmer, Professorin für Pflanzenbiologie an der UC Davis und Hauptautorin des Artikels.

Heliotropismus und Phototropismus

Während die Sonne über den Himmel wandert, drehen die Sonnenblumen ihre Gesichter, um der Sonne zu folgen. Nachts richten sie sich dann neu aus, sodass sie am nächsten Morgen nach Osten ausgerichtet sind. Dies geschieht durch unterschiedliche Wachstumsmuster, wobei die Ostseite des Stammes tagsüber stärker wächst und die Westseite des Stammes nachts stärker wächst. Dieser Vorgang wird als Heliotropismus bezeichnet und oft als eine Sonderform des Phototropismus angesehen.

Phototropismus – die Fähigkeit, in Richtung einer Lichtquelle zu wachsen – ist eine der charakteristischsten Wachstumsreaktionen von Pflanzen. Pflanzenwissenschaftler hatten die Hypothese aufgestellt, dass der Heliotropismus der Sonnenblume auf demselben grundlegenden Mechanismus beruht, der von einem Molekül namens Phototropin gesteuert wird und auf Licht am blauen Ende des Spektrums reagiert. Die dem Heliotropismus zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch weiterhin unklar.

Um den Heliotropismus besser zu verstehen, verglichen die Forscher die Genexpressionsmuster von Sonnenblumen, die in einer kontrollierten Umgebung im Labor gewachsen sind, mit denen von Sonnenblumen, die im Freien im Sonnenlicht auf dem Feld gewachsen sind.

Abbildung 1 Phototropismus und Selbstaufrichtungsreaktion von Sonnenblumenstängeln

In Innenräumen werden Sonnenblumen direkt im Licht gezüchtet, wodurch Gene aktiviert werden, die mit Phototropin in Zusammenhang stehen. Aber im Freien gewachsene Sonnenblumen, die ihre Köpfe in der Sonne bewegten, zeigten ein völlig anderes Muster der Genexpression. Es gab keinen offensichtlichen Unterschied in den phototropen Proteinen zwischen der einen und der anderen Seite des Stiels.

Abbildung 2 Transkriptomanalyse von sonnenverfolgenden Sonnenblumenstängeln

Allerdings werden einige Gene, die während des Phototropismus schnell induziert werden, sowie Gene, die an der Reaktion des Blattschattenwachstums beteiligt sind, zu Beginn des Phototropismus schnell auf der Westseite des Stängels induziert, was darauf hindeutet, dass rote Photorezeptoren bei der Sonnenverfolgung eine Rolle spielen könnten.

Abb. 3 Unterschiedliche Muster der Genexpression bei Phototropismus und Heliotropismus

Um die Rolle verschiedener Photorezeptor-Signalwege beim Heliotropismus zu testen, modulierten die Forscher die Lichtumgebung, in der die Pflanzen mit der Sonnenverfolgung begannen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Blockieren von blauem Licht, ultraviolettem Licht, rotem Licht oder fernrotem Licht mit einer Lichtschutzbox keinen Einfluss auf die Heliotropismus-Reaktion hatte und das Auftreten oder die Aufrechterhaltung des Heliotropismus bei Sonnenblumen auf dem Feld nicht behinderte.

Abbildung 4 Der Beginn des Heliotropismus zeigt unterschiedliche transkriptionelle Signaturen und tritt unter verschiedenen Lichtbedingungen auf

Zusammengefasst lassen unsere Ergebnisse darauf schließen, dass sich die transkriptionelle Regulierung der Phototaxis vom durch Phototropin vermittelten Phototropismus unterscheidet. Sowohl das Einsetzen als auch die Aufrechterhaltung des Heliotropismus sind gegenüber Veränderungen der Lichtqualität resistent und lassen darauf schließen, dass mehrere Lichtsignalwege an der Regulierung der Sonnenverfolgung beteiligt sind.

„Wir scheinen den Phototropin-Signalweg als Möglichkeit ausgeschlossen zu haben, haben aber noch keinen eindeutigen Beweis gefunden“, sagte Harmer. In den nächsten Schritten werden wir uns mit der Proteinregulierung in Pflanzen befassen.

Datendiagramm und Referenzquelle:
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002344