Wissenschaftler haben einen bedeutenden Schritt in Richtung Bau der weltweit ersten digitalen Anlage gemacht, indem sie ein ausgeklügeltes Rechenmodell entwickelt haben, das auch eines der beständigsten Rätsel der Pflanzenwissenschaft gelöst hat – die Rolle der biologischen Uhr.

Jeder, der unter Jetlag gelitten hat, kann sich mit den verheerenden Auswirkungen einer gestörten biologischen Uhr identifizieren. Nun hat eine neue Studie ergeben, dass auch Pflanzen leiden, wenn ihre Uhren nicht mehr synchron sind.

Durch die Erzeugung einer Pflanze, die unter permanentem Jetlag leidet – vergleichbar mit täglichen Flügen von New York nach Großbritannien –, entdeckten Forscher, dass die Störung der inneren Uhr einer Pflanze ihr Wachstum beeinflusst. Das Team entwickelte zudem ein Computermodell der „jetlaggeplagten“ Pflanze, das die Auswirkungen auf das Wachstum präzise vorhersagen und die von fehlerhaften Uhrgenen betroffenen molekularen Signalwege aufdecken konnte.

Der Fortschritt stellt einen bedeutenden Schritt nach vorne bei der Schaffung eines komplexen, vielzelligen digitalen Organismus dar – eine Leistung, die außerhalb von einzelligen Mikroben selten erreicht wurde.

Der Ansatz, der seit über einem Jahrzehnt diskutiert wird, sollte sich bald auf andere uhrgesteuerte Stoffwechselwege ausweiten und zu neuen Erkenntnissen über die Pflanzenbiologie im Allgemeinen führen, die dazu beitragen könnten, die Ernteerträge und die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Klimawandel zu verbessern.

Alle Pflanzen besitzen eine biologische Uhr, ein molekulares Zeitmesssystem, das Veränderungen in der Umwelt erkennt und die Pflanze auf die wechselnden Tageszeiten und Jahreszeiten vorbereitet. Obwohl jede Pflanzenzelle ihre eigene Uhr zu haben scheint, die etwa 30 % ihrer Gene steuert, war bisher wenig über deren Rolle im Pflanzenwachstum bekannt.

Um dies anzugehen, untersuchte eine Studie von Forschern der Universität Edinburgh die Auswirkungen von Mutationen in den Uhrengenen von Arabidopsis thaliana, einer weithin untersuchten Pflanzenart. Die Uhr-mutierten Pflanzen ermöglichten dem Team zu untersuchen, ob Uhr-Gene an der nächtlichen Freisetzung von in Stärke gespeichertem Zucker aus der Pflanze beteiligt sind, der ihr Wachstum antreibt

Pflanzen müssen die Energie, die sie während der Tageslichtstunden durch Photosynthese gewinnen, sorgfältig verwalten. Zu schnelles oder zu langsames Freisetzen von Zucker aus den Stärkespeichern über Nacht kann deren Wachstum zum Stillstand bringen. Wissenschaftler untersuchten das Wachstum von Arabidopsis-Pflanzen mit Mutationen in ihren Uhrengenen, die dazu führten, dass die Uhr zu langsam lief – als ob der Tag 29 statt 24 Stunden lang wäre.

Bei diesen Mutanten war die nächtliche Freisetzung von Zucker aus Stärke langsamer als bei normalen Pflanzen und das Wachstum war reduziert.

Sie erstellten auch ein Computermodell dieser Uhrenmutanten, bekannt als Rahmenmodell, das mathematische Modelle der Uhrengenaktivität mit metabolischen und physiologischen Modellen kombinierte. Die Ergebnisse zeigten, dass das Rahmenmodell die Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum genau simulierte – indem es korrekt vorhersagte, dass die langsame Freisetzung von Zucker aus Stärke während der Nacht in den Uhrenmutanten für die Verlangsamung ihres Wachstums verantwortlich war

Die Ergebnisse stehen im Gegensatz zu früheren Studien an anderen Uhrenmutanten, die darauf hindeuteten, dass gestörte biologische Uhren das Pflanzenwachstum durch Beeinträchtigung wichtiger Prozesse der Photosynthese unterbrechen. Das Rahmenmodell enthüllte nicht nur die Rolle der 24-Stunden-Uhr der Pflanze, sondern konnte auch die Gene über messbare molekulare Signalwege mit ihren Auswirkungen auf die gesamte Pflanze verknüpfen – eine klassische Herausforderung in der Genetik.

Diese Errungenschaft ist gleichbedeutend mit dem Verständnis eines menschlichen Gesundheitssyndroms, das durch eine genetische Veränderung verursacht wird, die auf subtile Weise mehrere physiologische Signalwege beeinflusst.

Der nächste Schritt des Teams besteht darin, das Arabidopsis-Rahmenmodell zu verwenden, um vorherzusagen, wie die Genomsequenz der Pflanze diese als Phänotyp bekannten physikalischen Eigenschaften und Merkmale steuert. Bei Erfolg könnte der Ansatz breiter angewendet werden und zu dem angestrebten „großen vereinheitlichten“ Verständnis der Biologie führen, das das Zusammenspiel zwischen Genomen und den von ihnen geschaffenen lebenden Systemen aufdeckt.

Mit diesem Ansatz, der darauf abzielt, vorherzusagen, wie lebende Systeme funktionieren, könnten ähnliche Modelle entwickelt werden, um die riesigen Datensätze zu verstehen, die durch Fortschritte bei der Genomsequenzierung generiert werden. Diese Art von Fortschritt könnte auch die Komplexität molekularer Ergebnisse aufdecken, um zu entschlüsseln, welche die wichtigsten sind und die größten Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit in lebenden Organismen haben.

Professor Andrew Millar von der School of Biological Sciences der University of Edinburgh sagt: „Der Erfolg des Framework-Modells zeigt, dass wir subtile Effekte auf der Ebene der ganzen Pflanze verstehen können, in diesem Fall nur durch die Änderung des Timings der Genexpression. Mit „verstehen“ meinen wir „erklären und vorhersagen“. Nicht alle Details dieses Modells lassen sich auf Nutzpflanzenarten übertragen, aber es erweitert die 'Proofs of Principle', um die Verbesserung von Nutzpflanzen auf molekularer Ebene zu informieren.“

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Chew, YH, Seaton, DD, Mengin, V., Flis, A., Mugford, ST, George, GM, Moulin, M., Hume, A., Zeeman, SC, Fitzpatrick, TB, Smith, AM, Stitt, M. und Millar, AJ (2022) „Die Arabidopsis Framework Model Version 2 prognostiziert die Auswirkungen der Gen-Fehlregulierung der zirkadianen Uhr auf Organismusebene“, in silico Plants, 4(2). Verfügbar um: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010.

Originalbeitrag bei die Universität von Edinburgh.