Landwirtschaft im Klimawandel Veränderung der inneren Uhr macht Gerste unempfindlich für Tageslängen

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Damit Pflanzen zur richtigen Jahreszeit blühen, besitzen sie eine innere Uhr, mit der sie die Tageslichtlänge messen können. Forschende beschreiben nun in einer aktuellen Studie, dass die Mutation eines bestimmten Gens den Blühzeitpunkt von Gerste nahezu unabhängig von der Tageslänge macht. Diese Mutation kann nützlich für die Züchtung von Sorten sein, die an veränderte Klimabedingungen mit relativ warmen Wintern und heißen, trockenen Sommern angepasst sind.

Damit sich Pflanzen erfolgreich fortpflanzen ist es unerlässlich, dass sie zur richtigen Jahreszeit blühen. Geschieht dies zu früh oder zu spät im Jahr, können die temperaturempfindlichen Blüten während ihrer Entwicklung Schaden nehmen. Daher synchronisieren Pflanzen ihre Entwicklung mit verschiedenen Umweltfaktoren, mit denen sie die Jahreszeit abschätzen.

Die Tageslänge (Photoperiode) – die Anzahl der Lichtstunden pro Tag – ist ein solcher Faktor, der sich jedes Jahr gleich über die Jahreszeiten verändert. Die Pflanze besitzt eine innere, auch „zirkadian“ genannte Uhr, die es ihr erlaubt, regelmäßige Umweltveränderungen zwischen Tag und Nacht und zwischen den Jahreszeiten vorauszuahnen und sich darauf vorzubereiten. Diese Uhr beeinflusst direkt den photoperiodischen Signalweg, welcher die Blüte abhängig von der Tageslänge steuert.

Reaktion von Kulturpflanzen auf unterschiedliche Tageslängen verändern

Das Team des Instituts für Pflanzengenetik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Prof. Dr. Maria von Korff Schmising erforscht die molekularen Grundlagen der Entwicklungsprozesse in der Kulturpflanze Gerste. Es geht ihnen darum, welche Gene die Entwicklung der Pflanzenmeristeme – des aus undifferenzierten Zellen bestehende Bildungsgewebe – steuern und wie Umwelteinflüsse diese Vorgänge beeinflussen. Um Pflanzen an verschiedene Anbaugebiete, Klimazonen und Photoperioden anzupassen, ist eine wichtige Stellschraube, die Reaktion der Kulturpflanzen auf unterschiedliche Tageslängen zu verändern.

In einer Veröffentlichung in Plant Physiology beschreiben die Biologinnen und Biologen der HHU einen neuen genetischen Regulator für die Blütezeit, den sie in der Gerste identifiziert haben und der dem Genort für early maturity 7 (eam7) unterliegt. Sie fanden heraus, dass eine spontane Mutation im Gen LIGHT-REGULATED WD1 (LWD1) es den Pflanzen ermöglicht, ihre Entwicklung an Tagen mit kurzer Photoperiode zu beschleunigen, obwohl sie normalerweise Tage mit mehr als zwölf Stunden Licht zum Blühen benötigen.

Mutation verbessert Anbaumöglichkeiten der Gerste

Die LWD1-Mutation macht Gerste damit nahezu unempfindlich gegenüber der Tageslänge. Dies ermöglicht den Anbau auf verschiedenen Breitengraden und in Randgebieten mit nicht optimalen Anbaubedingungen. Darüber hinaus besitzen die Blüten der Pflanzen mit dieser Mutation eine erhöhte Fruchtbarkeit, welche ohne die Mutationen bei suboptimalen Tageslängen reduziert ist.

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Erstautorin Gesa Helmsorig: „Wir konnten zeigen, dass die Mutation in LWD1 die zirkadiane Uhr der Pflanze beeinflusst, vermutlich indem die Verarbeitung von Lichtsignalen, welche zur Synchronisation der zirkadianen Uhr dienen, verändert wird.“ Korrespondenzautorin Prof. von Korff Schmising ergänzt: „Daraus resultiert, dass sich die interne Rhythmik der Genexpression im Verhältnis zur externen Rhythmik von Licht- und Dunkelperioden verschiebt. Im Ergebnis wird die Signalweiterleitung, die normalerweise nur im Langtag induziert wird, angeschaltet und die Pflanze blüht.“

Originalpublikation: Gesa Helmsorig, Agatha Walla, Thea Rütjes, Gabriele Buchmann, Rebekka Schüller, Götz Hensel, Maria von Korff, early maturity 7 promotes early flowering by controlling the light input into the circadian clock in barley, Plant Physiology, Volume 194, Issue 2, February 2024.

DOI: 10.1093/plphys/kiad551

(ID:49920113)