Ein Jahrzehnt lang glaubten Wissenschaftler, dass Pflanzen Temperaturen hauptsächlich über spezielle Proteine wahrnehmen, und zwar vor allem nachts, wenn die Luft kühl ist. Neue Forschungsergebnisse von Fan und Kollegen legen nahe, dass tagsüber ein anderes Signal die Oberhand gewinnt: Zucker, der im Sonnenlicht produziert wird, hilft Pflanzen, Wärme zu erkennen und zu entscheiden, wann sie wachsen sollen.
Diese Studie unter der Leitung von Meng Chen, Professor für Zellbiologie an der University of California, Riverside, zeigt, dass Pflanzen über mehrere Wärmesensorsysteme verfügen und dass Zucker eine zentrale und bisher unbekannte Rolle bei der Reaktion auf die Tagestemperatur spielt. Die Ergebnisse veröffentlicht in Nature Communications, verändern eine seit langem bestehende Sichtweise auf die Interaktion von Pflanzen mit ihrer Umwelt und könnten zukünftige Strategien für eine klimaresistente Landwirtschaft beeinflussen.
„Unsere Lehrbücher besagen, dass Proteine wie Phytochrom B und Frühblüher 3 (ELF3) die wichtigsten Thermosensoren in Pflanzen sind“, sagte Chen. „Aber diese Modelle basieren auf Nachtdaten. Wir wollten wissen, was tagsüber passiert, wenn Licht und Temperatur hoch sind, denn das sind die Bedingungen, unter denen die meisten Pflanzen tatsächlich leben.“
Für Pflanzen ist es wichtig zu wissen, wie heiß es ist, da es ihnen hilft, sich an Stress anzupassen, wenn es wärmer wird. Vor einigen Jahren berichteten wir über ein Enzym namens HDA9, das Pflanzen hilft, mit Hitze umzugehen, aber eine der unbeantworteten Fragen war, welcher Thermosensor HDA9 auslöste. Die Autoren dieser Arbeit, van der Woude und Kollegen, waren sich nicht sicher, ob HDA9 selbst ein Thermosensor war oder ob es auf einem anderen Sensor beruhte, den sie nicht untersucht hatten.
Chens Gruppe ging diesem Rätsel auf, indem sie untersuchte, wie Arabidopsis thaliana, eine kleine Blütenpflanze, die in Genlaboren bevorzugt wird, reagierte auf Temperatur. Die Forscher setzten Setzlinge Temperaturen von 12 bis 27 Grad Celsius unter unterschiedlichen Lichtbedingungen aus und verfolgten das Wachstum ihrer Triebe, der sogenannten Hypokotyle – ein klassischer Indikator für die Wachstumsreaktion auf Wärme.
Frühere Arbeiten von Li et al hat gezeigt, dass Phytochrom B wirkt durch thermische UmkehrungBei zunehmender Hitze wechselt Phytochrom B von seiner aktiven in seine inaktive Form, bei kühleren Temperaturen umgekehrt. Die Verwendung von Phytochrom B zur Wärmewahrnehmung ist jedoch problematisch.
Die neue von Chens Gruppe veröffentlichte Studie ergab, dass Phytochrom B, ein lichtempfindliches Protein, Wärme nur bei schwachem Licht wahrnehmen kann. Unter hellen Bedingungen, die dem Mittagssonnenlicht ähneln, wurde seine Temperatursensorfunktion effektiv abgeschaltet – genau dann, wenn die Pflanzen sie am dringendsten benötigen. Dennoch reagierten die Pflanzen weiterhin auf Wärme und wuchsen, selbst wenn die thermosensorische Funktion von Phytochrom B stark eingeschränkt war. Dies, so Chen, deute auf die Existenz weiterer Sensoren hin.
Ein Hinweis lieferten Untersuchungen an einer Phytochrom-B-Mutante ohne Thermosensorfunktion. Diese mutierten Pflanzen reagierten nur im Licht auf Wärme. Im Dunkeln, ohne Photosynthese, fehlten ihnen Chloroplasten, und sie wuchsen nicht als Reaktion auf Wärme. Als die Forscher dem Wachstumsmedium jedoch Zucker hinzufügten, kehrte die Temperaturreaktion zurück.
„Damals wurde uns klar, dass Zucker nicht nur das Wachstum fördert“, sagte Chen. „Er wirkte wie ein Signal, das der Pflanze signalisierte, dass es warm ist.“
Chen ist nicht der Erste, der zu dem Schluss kommt, dass Zucker ein Signalmechanismus sein muss. Bereits 2013 wies eine Studie den Weg zur Untersuchung der Saccharose-Signalgebung, obwohl ich nicht sicher bin, wem ich dies zuschreiben soll, denn Tognetti ist Erstautor der PubMed-Version, während die Zeitschriftenversion nur Credits Horacio & Martinez-Noel. In jüngerer Zeit Asim et al kam zu dem Schluss, dass Zucker beteiligt sich daran, wann eine Pflanze Blätter verliert.
Chens Gruppe fand nun heraus, dass Zucker Teil eines Multisensorsystems ist, das auf Temperatur reagiert. Weitere Experimente zeigten, dass höhere Temperaturen den Abbau der in Blättern gespeicherten Stärke auslösten und Saccharose freisetzten. Dieser Zucker wiederum stabilisierte ein Protein namens PIF4, einen wichtigen Wachstumsregulator. Ohne Saccharose zerfiel PIF4 schnell. Mit Saccharose akkumulierte sich das Protein, wurde aber erst aktiv, als ein weiterer Sensor, ELF3, ebenfalls auf die Hitze reagierte und sich zurückzog.
„PIF4 braucht zwei Dinge“, erklärte Chen. „Zucker muss vorhanden sein, und es muss frei von Repressionen sein. Die Temperatur trägt dazu bei, beides zu gewährleisten.“
Die Ergebnisse könnten praktische Auswirkungen haben. Da der Klimawandel zu Temperaturextremen führt, könnte das Verständnis, wie und wann Pflanzen Wärme wahrnehmen, Wissenschaftlern helfen, Nutzpflanzen zu züchten, die vorhersehbarer wachsen und unter Stress widerstandsfähiger sind.
„Das verändert unsere Sicht auf die Thermosensorik von Pflanzen“, sagte Chen. „Es geht nicht nur um das An- und Ausschalten von Proteinen. Es geht auch um Energie, Licht und Zucker.“
LESEN SIE DEN ARTIKEL
Fan, D., Hu, W., Xu, N., Seto, ER, Lagarias, JC, Chen, X. und Chen, M. (2025) „Ein multisensorisches Hochtemperatur-Signalframework zur Auslösung der Thermomorphogenese am Tag in Arabidopsis“, Nature Communications veröffentlicht , 16(1), p. 5197. Erhältlich unter: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60498-7.
Titelbild: Arabidopsis in einer Pinzette. Foto: Kristopher Grunert / Corbis / VCG / Getty / Canva.
