Speed ​​Breeding ist eine neuartige landwirtschaftliche Technologie, die verbesserte Ernten hervorbringen kann doppelt so schnell als konventionelle Züchtung. Diese Methode verkürzt die Brutgenerationszeit, indem sie die starre zirkadiane Uhr der Pflanze austrickst, indem sie die Lichtdauer und -temperatur manipuliert.

Während die Speed-Breeding-Methode hauptsächlich unter weißem LED-Licht durchgeführt wurde, haben frühere Studien gezeigt, dass die Exposition gegenüber unterschiedlichen Lichtqualitäten auch das Pflanzenwachstum und die Entwicklung fördern kann. Die optimale Lichtqualität und die damit verbundene Photoperiode sind jedoch aufgrund komplexer Wechselwirkungen zwischen mehreren Photorezeptoren und Proteinen, die das Pflanzenwachstum steuern, unbekannt.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in in silico Plants, Dr. Mathias Foo, Assistenzprofessor an der School of Engineering der University of Warwick, und Mitarbeiter verwendeten computergestützte Pflanzenmodellierung, um die Auswirkungen von Qualitäten und Photoperiode auf das Pflanzenwachstum zu verstehen.

Pflanzen nehmen Licht wahr und reagieren darauf, indem sie Rezeptoren, Phytochrome und Cryptochrome verwenden, die die Komponenten der inneren zirkadianen Uhr regulieren. Die Uhr erzeugt biologische Rhythmen und exportiert sie an stromabwärts regulierte Gene, um Entwicklungsereignisse während des gesamten Lebens der Pflanze zu koordinieren.

Die Autoren verwendeten Modellierung, um die molekularen Mechanismen innerhalb der circadianen Uhr zu identifizieren, die empfindlich auf unterschiedliche Lichtqualitäten reagieren und das Pflanzenwachstum beeinflussen. Zunächst erstellten sie ein neues Modell, indem sie a Lichtqualitätsfunktion mit einem einfachen Modell der zirkadianen Uhr einer Pflanze.

Das Modell der zirkadianen Uhr verfügt über vier Gruppen von Genen mit mehreren ineinandergreifenden Schleifen und Lichteingängen, die es ihm ermöglichen, auf eine Vielzahl von Behandlungen mit Licht-/Dunkeldauer zu reagieren. Das Modell beinhaltete eine auf Licht ansprechende Variable namens Protein P als Ersatz für Phytochrome, die die zirkadiane Uhr beeinflussen. Protein P ist lichtfarbenunabhängig. Um die Auswirkungen von rotem und blauem Licht zu untersuchen, ersetzten die Autoren Protein P durch eine Lichtqualitätsfunktion, die aus drei Photorezeptoren besteht, Phytochrom A, Phytochrom B und Cryptochrom 1, die für rotes bzw. blaues Licht empfindlich sind.

Diese Studie konzentrierte sich auf das Hypokotylwachstum. Das Hypokotyl ist der Sämlingsstamm, der sich über der Wurzel und unter den Samenblättern befindet. Das Hypokotyl ist der wichtigste wachsende Teil eines Pflanzensämlings, daher dient es als relevanter Stellvertreter für die Beziehung zwischen Lichtqualität und Pflanzenwachstum.

Die Autoren nahmen ein weiteres Element in ihr Modell auf. Einer der am besten charakterisierten lichtgesteuerten Entwicklungsprozesse ist die Sämlings-Photomorphogenese (im Licht) und die Skotomorphogenese (im Dunkeln). Die Photomorphogenese ist durch die Hemmung der Hypokotyl- und Stängelverlängerung, der Öffnung der Keimblätter, der Chloroplastendifferenzierung und der Ansammlung von Chlorophyll sowie der Blattexpansion gekennzeichnet. Umgekehrt ist die Skotomorphogenese durch lange Hypokotyle und verlängerte Stängel, geschlossene Keimblätter mit apikalen Haken, nicht ausgedehnte Blätter und undifferenzierte Plastiden und Chloroplasten gekennzeichnet. Der Wechsel von der Skotomorphogenese zur Photomorphogenese wird durch das Lichtsignalisierungszentrum COP1 (CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC1/SUPPRESSOR OF PHYA-105 E3 ligase complex) reguliert.

Foo erklärt die Bedeutung der Einbeziehung von COP1 in ihr Modell:

„Kürzlich wurde festgestellt, dass die Signalkaskaden von durch rotes und blaues Licht aktivierten Photorezeptoren mit nachgeschalteten Transkriptionsfaktoren um die Bindung an COP1 konkurrieren. Dies könnte zu einer stärkeren Hypokotylverlängerung unter rotem als blauem und rotem/blauem Licht führen. Deshalb haben wir COP1 in unser Modell zur Untersuchung der Lichtqualität aufgenommen. Dies ist das erste Mal, dass diese Wechselwirkung in ein Modell des Pflanzenwachstums aufgenommen wurde.“

Das neue Modell sagte voraus, dass rote und blaue Lichtrezeptoren, Phytochrom und Cryptochrom, unter gemischten Lichtbedingungen (dh rot und blau) kompetitiv an COP1 binden, was zu einer stärkeren Hypokotylverlängerung unter roten Lichtbedingungen als unter gemischten Lichtbedingungen führt. Um diese Ergebnisse zu validieren, züchteten die Autoren Arabidopsis-Pflanzen unter rotem, blauem oder rot/blauem Licht für drei verschiedene Photoperioden für 10 Tage und maßen ihre Hypokotyllänge. Die simulierte Vorhersage wurde mit den experimentellen Daten bestätigt.

Foo kommt zu dem Schluss:

„Unser Modell hat herausgefunden, dass optimale Lichtqualität und -dauer das Pflanzenwachstum beschleunigen können. Dieses Modell kann verwendet werden, um Experten dabei zu helfen, sich auf bestimmte vielversprechende Kombinationen von Lichtqualitäten und Photoperioden zu konzentrieren, was letztendlich zu einer drastischen Verkürzung der experimentellen Zeit und Ressourcen führt.“

DER ARTIKEL::

Miao Lin Pay, Dae Wook Kim, David E Somers, Jae Kyoung Kim, Mathias Foo, Modellierung der zirkadianen Pflanzenuhr zur Charakterisierung des Hypokotylwachstums unter verschiedenen Lichtqualitätsbedingungen, in silico Plants, 2022;, diac001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac001