Wachstumsschub oder nicht? Pflanzen entscheiden sich unterschiedlich

Wie „sehen“ Pflanzen ihre Nachbarn?

In der Natur kommt es sehr oft vor, dass Pflanzen wenig Licht bekommen – sei es weil sie unter Bäumen oder anderer Vegetation heranwachsen oder weil eine Nachbarspflanze Schatten auf sie wirft. Diese Veränderung von Lichtmenge und Lichtqualität ist als Information für die Pflanze sehr wichtig und wird durch sogenannte Photorezeptoren aufgenommen. Eine insgesamt geringere Lichtmenge betrifft das gesamte Lichtspektrum, also auch den Teil des Lichts, der als photosynthetisch aktive Strahlung (engl. photosynthetic active radiation, PAR) beschrieben wird und den Wellenlängenbereich von 400 bis 700nm umfasst. Eine veränderte Lichtqualität betrifft nur einen Teil des Lichtspektrums, z.B. einen verringerten Blau-Anteil oder ein verringertes Verhältnis von Rot- zu Dunkelrot-Strahlung (engl. red and far-red). Durch die ständige Auswertung von Lichtmenge und Lichtqualität durch verschiedene Photorezeptoren haben die Pflanzen ein Frühwarnsystem falls konkurrierende Nachbarspflanzen auftauchen.

Ausweichen oder tolerieren?

Bei Pflanzen, die generell Beschattung vermeiden (z.B. Arabidopsis thaliana und Sinapis alba (Weißer Senf)), kann man Ausweichreaktionen beobachten wie eine schnelle Verlängerung des Pflanzenstiels und das Aufrichten und Neuausrichten der Blätter. Bei Pflanzen, die Beschattung tolerieren (z.B. Alocasia macrorrhiza (Riesenblättriges Pfeilblatt)) sind diese Ausweichreaktionen verringert oder fehlen völlig. Dies lässt sich häufig bei mehrjährigen Pflanzen oder Bäumen beobachten, die generell schattenreichen Wuchsplätzen unter bestehender Vegetation ausgesetzt sind.

Man kann jedoch nicht direkt von einem Fehlen der Ausweichreaktionen (engl. shade avoidance syndrome, SAS) auf eine Anpassung an ein Schattendasein schließen. Komplexe und gezielte Anpassungen, wie verdickte Blätter zur Maximierung der Kohlenstofffixierung (engl. specific leaf area, SLA) und verstärkte Abwehr gegen biotische und abiotische Stressfaktoren sind nötig und wurden ebenfalls als Teil der Anpassung an Beschattung vermutet. Bisher wurde der Fokus der Forschung auf ökologische und physiologische Bedeutungszusammenhänge gelegt. Was jedoch fehlt, ist ein Schatten tolerierendes Pflanzenmodell um die molekulare Regulation der Ausweichreaktionen zu verstehen.

Die mehrjährige Alpen-Gänsekresse (Arabis alpina), eine nahverwandte Schwesterart der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Schotenkresse), wurde für diesen Forschungbereich als Modellpflanze vorgeschlagen und zeigt unterschiedliche Antworten auf Beschattung. Wir beobachteten in der Variante Pajares die zu erwartende Schattentoleranz, aber einen Verlust dieser in einer anderen Variante, der Ähnlichkeiten zu einer Bekannten Mutation in einem Phytochrom B (einer der Photorezeptoren) in A. thaliana zeigt. Innerhalb CEPLAS ist es eines unserer Ziele, die divergierende Funktion von bisher nicht bekannten “Schatten”-Genen in Arabis alpina zu untersuchen. Diese könnten im Zusammenhang mit den ungewöhnlichen Phänotypen stehen, die wir beobachtet haben.

Warum ist es wichtig manchmal Beschattung zu tolerieren?

In der Landwirtschaft sind Ausweichreaktionen der Nutzpflanzen auf Beschattung nicht wünschenswert, da z.B. Sprosswachstum Energie und Nährstoffe kostet, die sonst in Blatt-, Wurzel oder Fruchtwachstum und damit höheren Ertrag investiert würden. Daher führt die Erforschung der molekularen Mechanismen von Schattentoleranz und Ausweichreaktionen nicht nur zum Verständnis der entsprechenden Signalwege in Pflanzen, sondern hat eine direkte landwirtschaftliche Relevanz.

Beitrag von Panpan Jiang, Biozentrum Köln. Deutsche Übersetzung Meike Hüdig, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf