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Für viele Pflanzenarten, wie die in der Forschung beliebte Ackerschmalwand, aber auch für Nutzpflanzen wie Mais, Reis und Weizen gibt es Initiativen, welche die Genomsequenz vieler Unterarten und Sorten erfassen. (Foto: Regnault/ TUM)
Für viele Pflanzenarten, wie die in der Forschung beliebte Ackerschmalwand, aber auch für Nutzpflanzen wie Mais, Reis und Weizen gibt es Initiativen, welche die Genomsequenz vieler Unterarten und Sorten erfassen. (Foto: Regnault/ TUM)
  • Forschung

Molekularmechanismus fürs Blühen im Frühling identifiziert

Mit Pflanzendimmer den Klimawandel austricksen?

Pflanzen besitzen Mechanismen, die verhindern, dass sie im Winter blühen. Ist die Winterkälte vorbei, sind diese inaktiviert. Doch auch wenn es im Frühling zu kühl ist, passen Pflanzen ihr Blühen an. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben genetische Veränderungen für diese Anpassung entdeckt. Wenn sich durch den Klimawandel die Temperaturen ändern, kann dies dabei helfen, die Nahrungsmittelproduktion zu sichern.

Dass viele Pflanzenarten im Frühjahr zu unterschiedlichen Zeiten blühen, weiß jeder. Der Zeitpunkt des Blühens im Frühling richtet sich nicht nach dem Kalender, sondern nach Umweltfaktoren wie Temperatur und Tageslänge. Biologen haben herausgefunden, dass Pflanzen diese Umweltfaktoren über genetisch festgelegte Programme erkennen und ihre Entwicklung entsprechend anpassen.

Um sich an neue Klimazonen anzupassen und den evolutionären Erfolg der Art zu sichern, können diese genetischen Programme im Lauf der Evolution nachjustiert werden. Diese Anpassungsprozesse geschehen passiv: Es entstehen kleine Veränderungen (Mutationen) im Erbgut (DNA-Sequenz) der beteiligten Gene. Sollte sich eine Anpassung in den Folgejahren als erfolgreich erweisen, etabliert sich eine neue Population als genetisch erkennbare Unterart.

Abgleich biologischer Anpassungen mit genetischen Veränderungen

Um herauszufinden, welche Mutationen im Laufe der Evolution besonders häufig benutzt wurden, vergleichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler biologische Anpassungen wie etwa Verschiebungen des Blühzeitpunktes mit vorhandenen genetischen Veränderungen. Für viele Pflanzenarten, wie die in der Forschung beliebte Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), aber auch für Nutzpflanzen wie Mais, Reis, Gerste und Weizen gibt es mittlerweile Initiativen, welche die Genomsequenz (Gesamt-DNA-Sequenz) vieler Unterarten und Sorten erfassen. Das macht Vergleiche auf DNA-Ebene besonders einfach und effizient.

Ulrich Lutz vom Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen der TUM beschreibt zusammen mit Kollegen vom Helmholtz Zentrum München in der Zeitschrift „eLife“ die Ergebnisse einer vergleichenden Sequenzanalyse des Gens FLM (FLOWERING LOCUS M) aus über tausend Arabidopsis-Genomsequenzen.

FLM bindet direkt an die DNA und kann damit die Herstellung anderer Gene (Transkription) beeinflussen, was das Blühen hinauszögert. Durch Vergleiche der FLM-DNA-Sequenz aus über tausend Unterarten konnte Lutz feststellen, welche Genveränderungen im Laufe der Evolution an dieser Pflanze häufig vorkamen: In der Regel sind genau die Veränderungen in vielen Unterarten zu finden, die der Pflanze einen Anpassungsvorteil bieten. Mutationen ohne Vorteil gehen hingegen im Laufe der Zeit verloren. Von daher ist die Häufigkeit der Veränderungen ein Hinweis darauf, dass diese Mutationen evolutionär am erfolgreichsten waren.

Zu dem von ihm charakterisierten FLM-Gen konnte Lutz aufzeigen, dass die weltweit vorkommenden Genveränderungen beeinflussen, wie häufig und effizient das Gen FLM abgelesen wird. Da FLM den Blühzeitpunkt hinauszögern kann, übersetzte sich das verstärkte Ablesen des Gens direkt in späteres Blühen. FLM agiert also ähnlich wie ein Lichtdimmer, über den die Pflanze die Genaktivität und damit das Blühen quasi stufenlos reguliert.

Das FLM-Gen agiert wie ein Regler

Die zugrundeliegenden Genveränderungen beeinflussten dieses Ablesen von FLM. So wurde veränderte DNA im Bereich des Genschalters (Promoter) gefunden, der reguliert, wieviel FLM-Gen produziert wird. Daneben konnte der Mechanismus des sogenannten Gen-Spleißens beobachtet werden: Dabei werden Teile aus dem vorläufigen Genprodukt herausgeschnitten. Auch über Genveränderungen, die das Gen-Spleißen beeinträchtigen, kann die Menge an aktivem FLM angepasst werden. Somit wurde eine direkte Abhängigkeit des Blühzeitpunkts von der Menge des FLM-Gens gefunden, die in Arabidopsis über die DNA-Sequenzveränderungen feinjustiert werden kann.

„Die von uns identifizierten FLM Varianten sind ideale Kandidatengene, die die Ackerschmalwand benutzen kann, um den Blühzeitpunkt an die durch den Klimawandel bedingten Temperaturveränderungen anzupassen", sagt Professor Claus Schwechheimer vom Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen der TUM.

Ergebnis kann helfen Pflanzen an Klimawandel anzupassen

Schon Temperaturänderungen von wenigen Grad Celsius während der Wachstumsphase von Kulturpflanzen wie Raps oder Zuckerrübe haben eine negative Auswirkung auf die landwirtschaftliche Produktion. Die Ergebnisse des Teams um die TUM-Wissenschaftler könnten künftig dabei helfen, die Blütezeit an die im Rahmen des Klimawandels veränderten Temperaturen anzupassen, indem das FLM-Gen als Regulator eingesetzt wird. Eine effiziente Nahrungsmittelproduktion dauerhaft zu sichern, rückt mit dieser Erkenntnis in greifbare Nähe.

Publikation:

Ulrich Lutz, Thomas Nussbaumer, Manuel Spannagl, Julia Diener, Klaus F.X. Mayer, Claus Schwechheimer: Natural haplotypes of FLM non-coding sequences fine-tune flowering time in ambient spring temperatures in Arabidopsis, eLife 3/2017. DOI: 10.7554/eLife.22114

Kontakt:

Technische Universität München
Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen

Prof. Dr. Claus Schwechheimer
Tel: +49/(0)8161/71 2880
E-Mail: claus.schwechheimer(at)wzw.tum.de

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Technische Universität München Sabine Letz
letz(at)zv.tum.de

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