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Oct 10, 2023

Wie das Verständnis pflanzlicher Körperuhren dazu beitragen könnte, den Lebensmittelanbau zu verändern

Hatten Sie jemals einen schlimmen Fall von Jetlag? Dieses schreckliche Gefühl, wenn man aussteigt

Hatten Sie jemals einen schlimmen Fall von Jetlag? Dieses schreckliche Gefühl, wenn Sie aus einem Langstreckenflug steigen und Ihr Körper Ihnen sagt, dass es Zeit zum Schlafen ist, die Außenwelt Ihnen jedoch sagt, dass es Zeit fürs Frühstück ist? Das sind die biologischen Wirkungen Ihrer inneren inneren Uhr, auch bekannt als Ihre zirkadiane Uhr.

Weitere Artikel aus The Conversation, gesprochen von Noa, können Sie hier anhören.

Auch Pflanzen, Pilze und sogar einige Bakterien haben einen Tagesrhythmus. Obwohl Pflanzen nicht dazu neigen, auf internationale Flüge zu springen, kann jeder lebende Organismus mit einer zirkadianen Uhr einen Jetlag erleiden. Das ist mehr als nur eine lustige Tatsache: Wir könnten diese Informationen nutzen, um die Ernteerträge zu steigern und die Ernährungssicherheit zu verbessern.

Die ersten Berichte über eine innere innere Uhr in Pflanzen reichen bis ins antike Griechenland zurück, als ein Schiffskapitän das tägliche Öffnen und Schließen der Blätter eines Tamarindenbaums untersuchte. Die ersten systematischen Beobachtungen des zirkadianen Rhythmus von Pflanzen wurden im 18. Jahrhundert von dem französischen Wissenschaftler Jean-Jacques d'Ortous de Mairan durchgeführt, der das rhythmische Öffnen und Schließen der Blätter von Mimosa pudica (einer Pflanze aus der Familie der Erbsen) untersuchte.

De Mairan bemerkte, dass diese Zyklen auch dann anhielten, wenn sich die Pflanze in ständiger Dunkelheit befand. Dies zeigte, dass die Blattbewegungen keine Reaktion auf Änderungen der Lichtverhältnisse waren, sondern von der Pflanze selbst gesteuert wurden. Dies ist die Definition eines zirkadianen Rhythmus.

Wir wissen jetzt, dass diese Rhythmen durch ein genetisches Netzwerk gesteuert werden, das sich in jeder Pflanzenzelle befindet. Etwa 20 Gene steuern den zirkadianen Rhythmus in Pflanzen. Diese Gene schalten sich in einem komplizierten Schaltkreis gegenseitig ein und aus und erzeugen so einen 24-Stunden-Rhythmus.

Dieser Regelkreis aktiviert auch andere Gene im Pflanzengenom. Einige Gene werden im Morgengrauen aktiviert, gefolgt von Genen, die später am Morgen benötigt werden, aber am Nachmittag abgeschaltet werden. Beispielsweise werden Gene, die mit der Photosynthese in Verbindung stehen, normalerweise morgens aktiviert, um das Tageslicht optimal zu nutzen, während Gene, die mit Wachstum und Entwicklung verbunden sind, normalerweise nachts aktiv sind.

Laborexperimente zeigen, dass, wenn eines dieser zirkadianen Kontrollgene mutiert ist (was bedeutet, dass ihre genetische Sequenz so verändert wird, dass sie nicht mehr richtig funktionieren), die Uhr der Pflanze schneller gehen kann, um einen kürzeren Rhythmus zu ergeben, sich verlangsamt, um einen langen Zyklus zu ergeben, oder ganz aufhören zu funktionieren.

Für viele Menschen sind Pflanzen ein schönes Grün. Ja, wichtig für saubere Luft, aber für einfache Organismen. Ein bahnbrechender Wandel in der Forschung verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler über Pflanzen denken: Sie sind viel komplexer und uns ähnlicher, als Sie sich vorstellen können. Dieses blühende Feld der Wissenschaft ist zu reizvoll, um ihm in ein oder zwei Geschichten gerecht zu werden. Dieser Artikel ist Teil der Serie Plant Curious, in der wissenschaftliche Studien untersucht werden, die Ihre Sicht auf das Pflanzenleben in Frage stellen.

Pflanzen mit mutierten zirkadianen Genen haben nicht nur schnellere oder langsamere Uhren, sondern auch ihre Fähigkeit zur Photosynthese, zum Wachstum und zur Fortpflanzung ist beeinträchtigt. Eine Pflanze mit einer aus dem Gleichgewicht geratenen zirkadianen Uhr wird unter Laborbedingungen nur halb so groß wie eine normale Pflanze.

Fast jeder Prozess, den Wissenschaftler in Pflanzen untersucht haben, wird zu einem gewissen Grad durch die innere Uhr reguliert. Es steuert das Öffnen und Schließen der Stomata-Poren auf der Unterseite eines Blattes, den Gasaustausch bei der Photosynthese, das Spross- und Wurzelwachstum, die saisonale Blüte und den „chemischen Krieg“ zwischen Pflanzen und den Tieren, die sie fressen. Dabei produzieren einige Pflanzen Chemikalien, die bei Verzehr für Tiere giftig sind.

Während der größte Teil der Forschung zum zirkadianen Rhythmus von Pflanzen im Labor durchgeführt wurde, besteht zunehmendes Interesse daran, wie diese auf die Landwirtschaft angewendet werden könnte, um den Herausforderungen der globalen Ernährungssicherheit zu begegnen.

Die globale Erwärmung schwächt die Bodengesundheit und tötet Bestäuber, während extreme Wetterbedingungen und Kriege zu den Faktoren gehören, die die Lebensmittelpreise in die Höhe treiben. Diese Forschung könnte also für unser Überleben von entscheidender Bedeutung sein.

Wenn man mehr über die zirkadianen Uhren von Pflanzen erfährt, könnte man den Ernteertrag erheblich steigern und den Zeitpunkt der Pflanzenblüte steuern, um sich an den Klimawandel anzupassen. Mehrere Studien haben beispielsweise ergeben, dass Pflanzen je nach Tageszeit, zu der sie angewendet werden, empfindlicher auf Herbizide reagieren. Da viele Pflanzen ähnliche Uhren haben, können wir Laborergebnisse auf Nutzpflanzenarten übertragen.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass natürliche Veränderungen in den Uhrengenen mit Durchbrüchen in der Landwirtschaft verbunden sind. Beispielsweise wurden Tomaten ursprünglich in Mittelamerika angebaut, wo sich die Tageslänge im Laufe des Jahres kaum ändert. Als die Menschen begannen, die domestizierte Tomate in nördlicheren Breiten anzubauen, wählten sie versehentlich eine Sorte mit einer natürlichen Mutation, die zu einer langsameren Uhr führte. Dadurch konnten die Tomatenpflanzen die längeren Sommertage besser nutzen und länger Photosynthese betreiben.

Außerdem blühen Frühlingsgerste (Frühjahrssaat) und Wintergerste (Herbstsaat) zu unterschiedlichen Zeiten im Jahr, was auf einen genetischen Unterschied in einem mit der circadianen Uhr verbundenen Gen zurückzuführen ist. Um die Produktivität zu maximieren, säen Landwirte daher zu bestimmten Jahreszeiten unterschiedliche genetische Sorten derselben Kulturpflanze.

Mit der Entwicklung der vertikalen Landwirtschaft in Innenräumen besteht ein großes Interesse daran, die zirkadianen Reaktionen von Pflanzen auf Licht zu verstehen, damit Beleuchtungssysteme so gestaltet werden können, dass sie das Wachstum maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch senken. Dies liegt daran, dass die vertikale Landwirtschaft in Innenräumen eine vollständige Kontrolle der Beleuchtung ermöglicht, anders als wenn wir Pflanzen im Freien oder in unseren Häusern anbauen. Das Verständnis des inneren Rhythmus der Pflanze kann dabei helfen, das Pflanzenwachstum zu optimieren, den besten Bewässerungszeitpunkt zu kontrollieren und anzuzeigen, wann Düngemittel oder andere in der Landwirtschaft verwendete Chemikalien verwendet werden sollten.

Pflanzen sind so viel komplexer (und uns vielleicht ein bisschen ähnlicher), als vielen Menschen bewusst ist. In den letzten 25 Jahren wurde intensiv an den genetischen Kontrollmechanismen der circadianen Uhr geforscht. Die Herausforderung besteht nun darin, dieses Wissen auf die Landwirtschaft anzuwenden.

Es liegt in unserem Interesse, sicherzustellen, dass wir Pflanzen auf diese Weise verstehen, denn dieses Wissen können wir nutzen, um unsere Nahrungsmittel besser anzubauen und unsere Pflanzen widerstandsfähiger zu machen.

Katharine Hubbard, Dozentin für biologische Wissenschaftspädagogik, University of Hull

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.