Pflanzenbiologen haben entdeckt, wie Sonnenblumen ihre innere zirkadiane Uhr, die auf Wachstumshormone wirkt, während des Tages während des Wachstums der Sonne folgen lassen.

"Es ist das erste Beispiel einer Pflanzenuhr, die das Wachstum in einer natürlichen Umgebung moduliert und echte Auswirkungen auf die Pflanze hat", sagt Stacey Harmer, Professor für Pflanzenbiologie an der Universität von Kalifornien, Davis, und leitender Autor eines Artikels in der Zeitschrift Wissenschaft.

Harmer ist ein Molekularbiologe, der zirkadiane Uhren studiert, normalerweise in der Laboranlage Arabidopsis, die deutlich kleiner ist als eine Sonnenblume. Zuvor hatte Harmers Labor Verbindungen zwischen "Uhr" -Genen und dem Pflanzenhormon Auxin entdeckt, das das Wachstum reguliert. Aber die Forscher brauchten ein Beispiel, um daran zu arbeiten, und sie fanden es in der Sonnenblume.

Dem falschen Weg gegenüber stehen

Wachsende Sonnenblumen beginnen den Tag mit dem Kopf nach Osten, schwingen durch den Tag nach Westen und kehren nachts in den Osten zurück.

"Die Pflanze nimmt das Timing und die Richtung der Morgendämmerung vorweg, und für mich sieht das wie ein Grund aus, eine Verbindung zwischen der Uhr und dem Wachstumspfad zu haben", sagt Harmer. Wissenschaftler, so weit zurück wie 1898, hatten dieses Verhalten von Sonnenblumen beschrieben, aber niemand hatte zuvor daran gedacht, es mit zirkadianen Rhythmen zu assoziieren.

Hagop Atamian, ein Postdoktorand in Harmers Labor, führte in Zusammenarbeit mit dem Labor von Mitarbeiter Benjamin Blackman an der Universität von Virginia (jetzt UC Berkeley) eine Reihe von Experimenten mit Sonnenblumen auf dem Feld, in Töpfen im Freien und in Innenwachstumskammern durch .

Indem er Pflanzen so absteckte, dass sie sich nicht bewegen konnten, oder Topfpflanzen täglich umdrehen, sodass sie in die falsche Richtung blickten, zeigte Atamian, dass er ihre Fähigkeit, die Sonne zu verfolgen, stören konnte. Nach der Sonne gibt den Pflanzen einen Wachstumsschub. Sonnenblumen, die abgesteckt werden, so dass sie sich nicht bewegen können, haben eine verringerte Biomasse und weniger Blattfläche als diejenigen, die das tun, fanden die Forscher.

Wenn Pflanzen in eine Innenwachstumskammer mit unbeweglichem Deckenlicht bewegt wurden, schwangen sie einige Tage lang hin und her. Das ist die Art von Verhalten, die man von einem Mechanismus erwarten würde, der von einer internen Uhr gesteuert wird, sagt Harmer.

Schließlich begannen die Zimmerpflanzen wieder "die Sonne" zu verfolgen, als die scheinbare Lichtquelle über die Wachstumskammer hinweg bewegt wurde, indem benachbarte Lichter während des Tages ein- und ausgeschaltet wurden. Die Pflanzen konnten die Bewegung und Rückkehr in der Nacht zuverlässig verfolgen, wenn der künstliche Tag nahe an einem 24-Stunden-Zyklus war, aber nicht, wenn er näher an 30-Stunden war.

Ost und West

Wie bewegen die Pflanzen ihre Stängel während des Tages? Atamian legte Tintenpunkte auf die Stiele und filmte sie mit einer Videokamera. In einem Zeitraffer-Video konnte er den sich ändernden Abstand zwischen den Punkten messen.

Wenn Pflanzen der Sonne folgten, wuchs die Ostseite des Stammes schneller als die Westseite, fand er. In der Nacht wurde die Westseite schneller, als der Stamm in die andere Richtung schwang. Das Team identifizierte eine Reihe von Genen, die auf der Sonnenseite der Pflanze während des Tages oder auf der anderen Seite in der Nacht exprimiert wurden.

Harmer sagt, dass im Sonnenblumenstiel offenbar zwei Wachstumsmechanismen im Spiel sind. Die erste legt eine Basiswachstumsrate für die Pflanze basierend auf verfügbarem Licht fest. Die zweite, von der zirkadianen Uhr gesteuerte und von der Lichtrichtung beeinflußte, bewirkt, daß der Stamm auf der einen Seite stärker wächst als auf der anderen und daher während des Tages von Osten nach Westen schwankt.

Wenn die Sonnenblume reift und die Blüte sich öffnet, verlangsamt sich das allgemeine Wachstum, und die Pflanzen hören auf, sich während des Tages zu bewegen und sich in Richtung Osten niederzulassen. Dies scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass die zirkadiane Uhr bei einem verlangsamten Gesamtwachstum dafür sorgt, dass die Pflanze am frühen Morgen stärker auf Licht reagiert als am Nachmittag oder Abend, sodass sie tagsüber allmählich nach Westen abfährt.

"Bienen mögen warme Blumen"

Warum stehen reife Sonnenblumen überhaupt im Osten? Die Forscher wuchsen Sonnenblumen in Töpfen auf dem Feld und rotierten einige von ihnen nach Westen. Indem sie die Blumen mit einer Infrarotkamera vermaßen, stellten sie fest, dass die nach Osten gerichteten Sonnenblumen morgens schneller aufheizten - und fünfmal so viele bestäubende Insekten anzogen. Westliche Blumen mit einer tragbaren Heizung aufzuheizen brachte mehr Bestäuber zurück zu den Blumen.

"Bienen mögen warme Blumen", sagt Harmer.

"Pflanzen sind wie die Menschen auf die täglichen Rhythmen von Tag und Nacht angewiesen", sagt die Direktorin des Programms, Anne Sylvester. "Sonnenblumen folgen wie Sonnenkollektoren der Sonne von Ost nach West. Diese Forscher greifen auf Informationen im Sonnenblumengenom zurück, um zu verstehen, wie und warum Sonnenblumen der Sonne folgen. "

Weitere Koautoren der Studie sind Nicky Creux an der UC Davis sowie Evan Brown und Austin Garner an der University of Virginia. Das Pflanzengenomforschungsprogramm der National Science Foundation unterstützte die Arbeiten.

Quelle: UC Davis

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