Entscheidungen fällen ohne Gehirn – Die geheime Sprache der Pflanzen

Wie können diese Pflanzen mit der Dürre zurechtkommen und trotzdem Mais produzieren, der uns als Nahrung dient? CouleurPixabay 

Wir können nicht ohne Pflanzen leben: Sie versorgen eine wachsende Bevölkerung mit Nahrung und Sauerstoff. Gleichzeitig verändern wir das Klima und schaffen dadurch raue Bedingungen, die den Anbau von Nahrungsmitteln erschweren. Wir sind auf Pflanzen angewiesen und mit einer Veränderung des Klimas beginnen sie, von uns abhängig zu sein. Wir müssen unser Wissen über sie erweitern, damit wir ihnen helfen, und damit letztendlich selbst auf diesem Planeten überleben können.

Stell dir vor, wie du im Leben zurechtkommen würdest, wenn du weder Gehirn noch Beine hättest. Wenn wir in Gefahr sind, gibt es eine Reihe von Prozessen, die im Körper stattfinden und uns helfen, mit der Bedrohung umzugehen. Nehmen wir an, du wanderst in den Bergen und stößt dort auf einen Bären. Dein Gehirn nimmt die Gefahr wahr und das Hormon Adrenalin wird freigesetzt. Dies wandert durch den Körper und bewirkt, dass die Muskeln Zucker freisetzen. Das gibt dir die Energie, um zu reagieren und entweder zu kämpfen oder zu fliehen.

Es mag überraschend klingen, aber Pflanzen gebrauchen ebenfalls Hormone, um auf Gefahren zu reagieren. Es gibt jedoch einige Unterschiede in der Verwendung von Hormonen durch Pflanzen und Menschen. Menschen haben viele verschiedene Hormone in ihrem Körper, alle mit ihrer eigenen spezifischen Funktion. Adrenalin, Serotonin und Östrogen sind zum Beispiel alle mit einer Spezialisierung verbunden, nämlich Stressreaktion, Stimmung und weibliche Fortpflanzung, und es gibt viele weitere. Pflanzen haben jedoch eine sehr kleine Anzahl von Hormonen mit einer großen Anzahl von Funktionen. Ich erforsche in meiner Doktorarbeit eines der wenigen Pflanzenhormone: Es heißt Auxin.

Auxin ist an vielen Phasen des Pflanzenlebens beteiligt. Zum Beispiel bewirkt es, dass Blüten ausgebildet werden und hilft, die Blüte nach der Bestäubung in eine Frucht zu verwandeln. Eine Pflanze braucht Auxin aber auch, um auf Stressfaktoren, wie eine Dürre oder Fressfeinde zu reagieren. In meiner Forschung untersuche ich, wie ein Hormon an so vielen verschiedenen Prozessen beteiligt sein kann. Es ist fast so, als gäbe es eine geheime Sprache der Pflanzen, die wir noch nicht verstehen. Sobald wir zum Beispiel wissen, wie das Hormon Pflanzen hilft auf Trockenheit zu reagieren, können wir den Pflanzen helfen, diese Reaktion zu verbessern.

„Da Auxin für Pflanzen so wichtig ist, könnte das Verständnis seiner Funktionsweise ein Schlüssel zur Lösung der Probleme der Klimakrise und des Welthungers sein.“

Wissenschaftler erforschen Auxin schon lange. So wissen wir, dass das Pflanzenhormon Einfluss darauf hat, wie eine einzelne Zelle die genetischen Informationen ihrer DNA nutzt. Denn jede Zelle hat die gleichen Informationen, die man mit dem Bauplan für ein Gebäude vergleichen kann. In diesem Beispiel wäre das Gebäude die Pflanze. Ein bestimmter Abschnitt der Blaupause wird benötigt, um eine Wurzelzelle zu erstellen, und ein weiterer Abschnitt für eine Zelle in der Blüte. Die Zellen benötigen jedoch Hilfe, um zu wissen, welcher Teil der Informationen für ihre Konstruktion wichtig ist.

Stell dir das Hormon als Bauleiter vor, der eine Gruppe von Architekten anweist, einen bestimmten Teil des Bauplans zu lesen. Die Architekten werden Transkriptionsfaktoren genannt. Sie wiederum geben Instruktionen an die Bauarbeiter weiter. Der Bauleiter beauftragt die Architekten jedoch nur dann, wenn sie benötigt werden, beispielsweise wenn der Boden zu trocken ist. Die Architekten lesen dann den Teil des Plans, der die Informationen zum Wachstum einer Wurzel enthält. Danach erteilen sie den Bauarbeitern Anweisungen, die auf der Grundlage des Plans für Wurzelzellen basieren. So wachsen die Wurzeln tiefer in den Boden. Auf diese Weise kann die Pflanze Wasser in tieferen Schichten finden.

Auxin (A) steuert die Aktivität einer Vielzahl von Transkriptionsfaktoren (TF). Die Transkriptionsfaktoren sind Spezialisten, die jeweils einen anderen Teil der DNA kontrollieren und unterschiedliche Ergebnisse für die Pflanze erzielen. Grafik von Katrin Heidemeyer.

Manchmal bekommt die Pflanze ein Signal von außen, wie zum Beispiel Dürre, und manchmal von innen, wie die erfolgreiche Reifung einer Blüte. Dies führt zur Freisetzung von Auxin, das durch die Pflanze wandert und in bestimmte Zellen gelangt. Daraufhin werden die Transkriptionsfaktoren (die Architekten) aktiviert.

Wir verstehen die Funktion von Auxin, aber es fehlt uns das Wissen darüber, wann es genau freigesetzt wird und wie die Wirkung so stark variieren kann (also z.B., dass entweder eine Blüte oder eine Wurzel gebildet wird). Da die Transkriptionsfaktoren für die Auxinreaktion so wichtig sind, müssen wir ihre Funktion weiter erforschen, um die Vielfalt der Reaktionen zu verstehen. Nur so können wir helfen, einen bestimmten Aspekt des Hormonsignals zu verbessern. Ich möchte herausfinden, wie ein Transkriptionsfaktor weiß, wann er den Bau einer Frucht oder einer Wurzel initiieren muss. Die Theorie lautet: Es gibt viele verschiedene Transkriptionsfaktoren, die alle Experten auf einem Fachgebiet sind.

Wenn wir zum Beispiel zur Baustelle zurückkehren, sind mehrere Architekten anwesend. Wir glauben, dass sie alle Experten für die Verwendung eines bestimmten Teils des Bauplans sind und den Bauarbeitern entsprechende Anweisungen geben. So könnte einer ein Experte für den Bau einer Küche und einer für den Bau von Schlafzimmern sein. Wir wissen, dass es verschiedene Arten von Transkriptionsfaktoren in einer Pflanze gibt, sind uns aber noch nicht ganz sicher, welchen Teil des DNA-Bauplans sie lesen können.

Um zu verstehen, worauf sich ein Transkriptionsfaktor spezialisiert hat, mache ich verschiedene Experimente. Z.B. kann ich den Architekten aus der Pflanze entfernen und dann prüfen, was passiert. Errichten die Bauarbeiter noch eine Küche und die Schlafzimmer? Anders gesagt, werden Wurzeln und Früchte immer noch wie in einer normalen Pflanze gebildet? Reagiert die Pflanze bei Stress immer noch so, wie sie sollte? Und tatsächlich, wenn ein Transkriptionsfaktor fehlt, hat die Pflanze Probleme, eine Wurzel zu bilden. Wenn ein anderer fehlt, hat die Pflanze Probleme, Früchte zu formen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Transkriptionsfaktoren Spezialisten sind.

Das Ziel ist es, mit den Informationen aus verschiedenen Experimenten die Hormonreaktion in Pflanzen besser verstehen zu können. Wenn wir verstehen, wie Auxin so viele verschiedene Prozesse steuert, können wir möglicherweise die Reaktion in einem bestimmten Kontext ändern. Wir könnten Pflanzen helfen, auch ohne Gehirn bessere Entscheidungen zu treffen, wenn sie beispielsweise mit Wasserknappheit konfrontiert sind. Auf diese Weise könnten wir Pflanzen helfen, Trockenheit besser zu überstehen. Indem wir die geheime Sprache der Flora lernen, können wir sicherstellen, dass die Welt für uns und die kommenden Generationen immer noch ein guter Ort zum Leben ist.


Published by Katrin Heidemeyer

Katrin Heidemeyer ist Doktorandin im Bereich Biochemie an der Wageningen University and Research. Durch ihre Arbeit möchte sie das Wissen über die Spezifität von Hormon-Signalen in Pflanzen erweitern. Da ihre Interessen über Pflanzenbiologie hinausreichen, schreibt sie in ihrer Freizeit über diverse Themen. Von Ernährung zu Psychologie, der Neugierde sind keine Grenzen gesetzt.

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