Habe die Zeit? Sameer Mishra / Shutterstock

Jeder, der durch mehrere Zeitzonen gereist ist und gelitten hat Jetlag wird verstehen, wie mächtig unsere biologische Uhren sind. Tatsächlich hat jede Zelle im menschlichen Körper eine eigene molekulare Uhr, die in der Lage ist, die Anzahl vieler Proteine, die der Körper in einem 24-Stunden-Zyklus produziert, täglich zu erhöhen und zu verringern. Das Gehirn enthält eine Hauptuhr, mit der der Rest des Körpers synchron gehalten wird Lichtsignale Aus den Augen, um mit der Umwelt Schritt zu halten.

Pflanzen haben ähnliche circadiane Rhythmen, die ihnen helfen, die Tageszeit zu bestimmen und Pflanzen für die Photosynthese vor dem Morgengrauen vorzubereiten. Hitzeschutz einschalten vor dem heißesten Teil des Tages, und produzieren Nektar, wenn Bestäuber am ehesten zu besuchen sind. Und genau wie beim Menschen scheint jede Zelle in der Pflanze ihre eigene Uhr zu haben.

Unsere Augen und unser Gehirn sind auf Sonnenlicht angewiesen, um die Aktivität im Körper entsprechend der Tageszeit zu koordinieren. Yomogi1 / Shutterstock

Aber im Gegensatz zu Menschen haben Pflanzen kein Gehirn, um ihre Uhren synchron zu halten. Wie koordinieren Pflanzen ihren Zellrhythmus? Unsere neue Forschung zeigt, dass alle Zellen in der Pflanze teilweise durch etwas koordinieren, das als lokale Selbstorganisation bezeichnet wird. Dies ist effektiv, wenn die Pflanzenzellen ihren Zeitpunkt mit benachbarten Zellen in ähnlicher Weise wie kommunizieren Fischschwärme und Vogelschwärme koordinieren ihre Bewegungen durch die Interaktion mit ihren Nachbarn.

Vorherige Forschung festgestellt, dass die Uhrzeit in verschiedenen Teilen einer Anlage unterschiedlich ist. Diese Unterschiede können durch Messen des Zeitpunkts der täglichen Peaks bei der Uhrproteinproduktion in den verschiedenen Organen festgestellt werden. Diese Uhrenproteine ​​erzeugen in biologischen Prozessen die 24-Stundenschwingungen.

Beispielsweise aktivieren Clock-Proteine ​​kurz vor Sonnenaufgang die Produktion anderer Proteine, die für die Photosynthese in Blättern verantwortlich sind. Wir haben beschlossen, die Uhr in allen wichtigen Organen der Pflanze zu untersuchen, um zu verstehen, wie Pflanzen ihren Zeitpunkt koordinieren, um das Ticken der gesamten Pflanze in Harmonie zu halten.

Was bringt Pflanzen zum Ticken?

Wir fanden, dass in Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) Keimlingen erreicht die Anzahl der Clock-Proteine ​​in jedem Organ zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihren Höhepunkt. Organe wie Blätter, Wurzeln und Stängel empfangen unterschiedliche Signale von ihrer lokalen Mikroumgebung wie Licht und Temperatur und verwenden diese Informationen, um unabhängig voneinander ihr eigenes Tempo einzustellen.

Leiden Pflanzen unter einer Art innerem Jetlag, wenn Rhythmen in verschiedenen Organen nicht synchron sind? Während die einzelnen Uhren in verschiedenen Organen zu unterschiedlichen Zeiten ihren Höhepunkt erreichen, führte dies nicht zu einem völligen Chaos. Überraschenderweise begannen Zellen, räumliche Wellenmuster zu bilden, bei denen Nachbarzellen zeitlich geringfügig hintereinander liegen. Es ist ein bisschen wie in einem Stadion oder einer „mexikanischen“ Welle von Sportfans, die sich hinter die Leute neben ihnen stellen, um eine wellenförmige Bewegung durch die Menge zu erzeugen.

Pflanzenzellen kommunizieren zwischen ihren Nachbarn, um die Zeit zu koordinieren. James Locke, Autor zur Verfügung gestellt

Unsere Arbeit zeigt, dass diese Wellen aus den Unterschieden zwischen den Organen entstehen, wenn die Zellen zu kommunizieren beginnen. Wenn die Anzahl der Clock-Proteine ​​in einer Zelle einen Spitzenwert erreicht, teilt die Zelle dies ihren langsameren Nachbarn mit, die der Leitung der ersten Zelle folgen und auch mehr Clock-Proteine ​​produzieren. Diese Zellen tun dann dasselbe mit ihren Nachbarn und so weiter. Solche Muster können an anderer Stelle in der Natur beobachtet werden. Einige Glühwürmchenarten bilden dabei räumliche Wellenmuster synchronisieren ihre Blitze mit ihren Nachbarn.

Lokale Entscheidungsfindung durch Zellen in Kombination mit Signalübertragung zwischen ihnen könnte dazu führen, dass Pflanzen Entscheidungen ohne Gehirn treffen. Es ermöglicht Zellen in verschiedenen Teilen der Pflanze, unterschiedliche Entscheidungen über das Wachstum zu treffen. Zellen im Spross und in der Wurzel können das Wachstum getrennt für ihre lokalen Bedingungen optimieren. Der Spross kann sich dahin beugen, wo das Licht nicht behindert wird, und die Wurzeln können in Richtung Wasser oder nährstoffreicheren Boden wachsen. Es könnte auch Pflanzen erlauben Überlebe den Organverlust durch Beschädigung oder von einem Pflanzenfresser gefressen werden.

Dies könnte erklären, wie Pflanzen in der Lage sind, ihr Wachstum und ihre Entwicklung kontinuierlich an Veränderungen in ihrer Umwelt anzupassen, die Wissenschaftler als „Plastizität“ bezeichnen. Das Verständnis, wie Pflanzen Entscheidungen treffen, ist nicht nur interessant, sondern hilft Wissenschaftlern auch, neue Pflanzensorten zu züchten, die mit dem Klimawandel auf ihre zunehmend veränderliche Umwelt reagieren können.

Über den Autor

Mark Greenwood, Doktorand in Zellbiologie, University of Cambridge und James Locke, Forschungsgruppenleiter in Systembiologie, University of Cambridge

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