26.05.2021 - Consejo Superior De Investigaciones Científias (CSIC)

Nutzpflanzen können sich an schattige Bedingungen anpassen

Die Studie, die von Forschern des Instituts für Molekular- und Zellbiologie der Pflanzen (CSIC-UPV) geleitet wurde, wird unter anderem die Optimierung von Kulturen in Gewächshäusern ermöglichen.

Nachdem sie die Nähe der Vegetation erkannt haben, sind einige Pflanzen, einschließlich der meisten Pflanzen, die wir essen, in der Lage, schattige Bedingungen in ihrer Umgebung zu antizipieren und ihre Struktur und ihr Wachstum zu modifizieren, um bei weniger Licht zu gedeihen. Dies wurde von einer Forschungsgruppe des Instituts für Molekular- und Zellbiologie der Pflanzen (IBMCP), einem gemeinsamen Zentrum des Spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) und der Polytechnischen Universität Valencia, in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Forschung in landwirtschaftlicher Genomik (CRAG) in Barcelona nachgewiesen. Die Forscher beobachteten, dass der Rückgang der photosynthetischen Pigmente in den Pflanzen Teil eines Mechanismus ist, der es ihnen erlaubt, sich an ein Leben mit weniger Licht anzupassen und damit eine mögliche Zukunft im Schatten vorwegzunehmen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Plant Physiology veröffentlicht.

Pflanzen nutzen das Sonnenlicht, um atmosphärisches Kohlendioxid durch Photosynthese in Nahrung umzuwandeln. Daher konkurrieren die Pflanzen oft miteinander um den Zugang zu dieser lebenswichtigen Energiequelle. In Wäldern oder dicht bepflanzten Feldern ist es üblich, dass einige Pflanzen andere beschatten und so die Lichtmenge, die sie erreicht, einschränken. Da weniger Licht weniger Energie bedeutet, hat die Evolution die Pflanzen mit Mechanismen ausgestattet, die die Nähe anderer potenzieller Konkurrenten um Licht erkennen, bevor sie diese überhaupt beschatten, und entsprechend reagieren.

Um Photosynthese zu betreiben, absorbieren Pflanzen bestimmte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, Blau und Rot, und lassen das ferne Rot durch oder reflektieren es. Wenn also das Sonnenlicht durch die Blätter filtert, ist es verarmt an Blau und Rot (das absorbiert und für die Photosynthese verwendet wird) und angereichert an Fernrot. Diese Veränderungen in der Lichtqualität sind das Signal, das andere Pflanzen als durch die Nähe von Nachbarpflanzen (und damit Konkurrenz um Ressourcen) erzeugt erkennen und nutzen, um eine Reihe von Reaktionen auszulösen, die als Schattenflugsyndrom (SAS) bekannt sind.

Vorwegnahme einer Schattenzukunft

Die am besten untersuchte Reaktion auf dieses Syndrom ist die Verlängerung des Stängels der Pflanze, die es ihr ermöglicht, über benachbarte Pflanzen hinauszuwachsen und das Licht früher zu erreichen. SAS verursacht auch eine Abnahme der Chlorophylle und anderer Pigmente, die durch die Photosynthese produziert werden, aber bis jetzt war der Grund für diese Reaktion unbekannt. Nun hat ein Team des Instituts für Molekular- und Zellbiologie der Pflanzen (IBMCP) in Valencia und des Zentrums für Forschung in landwirtschaftlicher Genomik (CRAG) in Barcelona entdeckt, dass der Rückgang der photosynthetischen Pigmente Teil eines Mechanismus ist, der die photosynthetische Maschinerie an die Funktion mit weniger Licht anpasst und damit eine mögliche Zukunft im Schatten vorwegnimmt.

Die Teams um die CSIC-Forscher am IBMCP Jaume Martínez García und Manuel Rodríguez Concepción untersuchten die Reaktion verschiedener Arten der Brassicaceae, einer Familie, zu der wichtige Nutzpflanzen wie Kohl, Blumenkohl, Brokkoli, Raps, Rettich und Senf gehören, auf Veränderungen der Qualität und Quantität des Lichts. So klassifizierten sie die Arten in zwei Gruppen: schattenvermeidend und schattentolerant. Erstere wuchsen bei hohen Lichtintensitäten besser und streckten sich stark, wenn sie das Signal der Pflanzennähe wahrnahmen. Die schattentoleranten hingegen streckten sich bei diesem Signal kaum und waren besser an das Leben bei wenig Licht angepasst.

Wachstum nachhaltig optimieren

Darüber hinaus beobachteten sie, dass, wenn schattenmeidende Arten dem Signal, das sie über die Nähe der Vegetation informiert, ausgesetzt wurden und dann bei geringerem Licht wuchsen, ihre photosynthetische Effizienz besser war als die von Pflanzen, die diesem Signal zuvor nicht ausgesetzt waren. "Wir haben beobachtet, dass dies nicht nur auf eine Abnahme der photosynthetischen Pigmente zurückzuführen ist, sondern auch auf Veränderungen in der Expression von Genen und Chloroplastenstrukturen, die mit der Photosynthese zusammenhängen", erklärt Manuel Rodríguez. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass mutierte Pflanzen, die das Annäherungssignal anderer Pflanzen nicht übersetzen können, und schattentolerante Arten diese adaptive Reaktion nicht zeigten.

Die meisten Nutzpflanzen, die uns ernähren, sind Pflanzenarten, die die Sonne mögen und Schatten meiden. Zu wissen, wie sie auf Nahbereichssignale reagieren, liefert daher wertvolle Informationen, um ihr Wachstum auf nachhaltige Weise zu optimieren. Für Jaume Martínez "könnte die Bestrahlung mit Lichtern, die das Annäherungssignal simulieren, die Leistung von Gewächshauskulturen verbessern, indem sie mit weniger Licht angebaut werden, was Stromkosten sparen würde".

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