Welche Anstrengungen hat die Menschheit unternommen, um das Wachstum von Pflanzen zu kontrollieren?

In prähistorischen Zeiten begannen die Menschen, die pflanzlichen Ressourcen um sie herum zu erkennen und zu nutzen. Sie aßen beispielsweise die Früchte und Rhizome wilder Pflanzen oder verwendeten Pflanzen zur Herstellung von Werkzeugen, Kleidung und einfachen Behausungen. Sie würden anhand von Beobachtungen und Erfahrungen feststellen, welche Pflanzen nützlich und welche schädlich sind. Um 10.000 v. Chr. begannen die Menschen, Nutzpflanzen anzubauen. Das Bedürfnis nach Nahrung könnte der ursprüngliche Grund gewesen sein, der den Menschen dazu inspirierte, sich für die Geheimnisse der Pflanzenentwicklung zu interessieren. Durch ein tieferes Verständnis der Gesetze des Pflanzenwachstums erlangten die Menschen nicht nur eine stabile Nahrungsmittelversorgung, sondern legten auch den Grundstein für ihre eigene Entwicklung und ihr Wachstum und gelangten allmählich in die Zivilisation.

Obwohl die Menschheit heute enorme Fortschritte bei der Erforschung der Pflanzenentwicklung gemacht hat und zahlreiche Fachdisziplinen wie die Pflanzenphysiologie, die Pflanzenmolekularbiologie und die Pflanzenökologie entstanden sind, gibt es hinsichtlich der wissenschaftlichen Frage, wie Pflanzen ihr Wachstum regulieren, noch immer viele unbekannte Bereiche, und die Erforschung dieser Frage ist nie abgeschlossen.

Der Kern der Pflanzenentwicklungsregulierung: Anpassung an Umweltveränderungen

Während der Entwicklungsverlauf und Wachstumszyklus derselben Tierart grundsätzlich gleichbleibend und begrenzt sind, kann dieselbe Pflanzenart unter unterschiedlichen Umweltbedingungen eine große Vielfalt aufweisen. Sie verändern ihre Morphologie, um sich an die Umwelt anzupassen. Sie maximieren beispielsweise die Photosynthese durch Anpassung der Blattrichtung oder erhalten Wasser und Nährstoffe durch die Ausdehnung des Wurzelsystems. Sie können sich sogar an veränderte äußere Bedingungen anpassen, indem sie den Zeitpunkt der Blüte anpassen. Diese biologische Eigenschaft von Pflanzen ermöglicht es ihnen, ihre Morphologie an unterschiedliche Umweltbedingungen anzupassen. Was sich ändert, ist das Aussehen, was jedoch unverändert bleibt, ist der Kern der Pflanzenentwicklungsregulierung – die Anpassung an Umweltveränderungen.

Einer der Gründe, warum Pflanzen ihre Morphologie verändern können, liegt darin, dass während ihrer Embryonalentwicklung nur wenige Gewebe- und Organanlagen gebildet werden. Während der postembryonalen Entwicklung entstehen alle neuen Organe durch die Teilung und Differenzierung des Apikalmeristems [1]. Dieser Entwicklungsprozess kommt nur bei Pflanzen vor und der molekulare Mechanismus hinter diesem Phänomen ist noch nicht geklärt. Studien haben die molekularen Mechanismen väterlicherseits stammender Gene bei der Regulierung der Entwicklung von Keimwurzelstammzellen aufgedeckt. Dies hilft uns, die molekularen Interaktionswege zwischen männlichen und weiblichen Gameten während der Befruchtung zu verstehen und wie diese Wege die Bildung embryonaler Organe steuern und regulieren [2]. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um festzustellen, welche Gene sich während der Organentwicklung der Pflanze in ihren Expressionsmustern verändern und wie sich diese Veränderungen auf die Morphologie und Organentwicklung der Pflanze auswirken.

Die Fähigkeit der Pflanzen, ihre Morphologie durch direkte Interaktion mit ihrer Umwelt zu verändern, ist erstaunlich. Obwohl die Faktoren, die das Pflanzenwachstum regulieren, bekannt sind, können wir die Ergebnisse des Wachstums nur auf der Grundlage beobachteter Phänomene beschreiben. Wie Pflanzen während ihrer Entwicklung Licht, Temperatur, Wasser und Nährstoffbedingungen wahrnehmen und darauf reagieren, ist noch immer ein Prozess, der auf mikroskopischer Ebene nicht analysiert werden kann. Diese Prozesse sind auf molekularer Ebene sehr empfindlich und dynamisch. Theoretisch können durch den Einsatz molekularbiologischer Techniken, Gen-Editing-Technologien, Metabolomik-Analysen usw. die spezifischen Regulationsmechanismen des Pflanzenwachstums auf molekularer Ebene erforscht und genau verstanden werden, welche Gene und Signalwege am Wachstum und der Entwicklung von Pflanzen beteiligt sind. Aktuelle Forschungsergebnisse liefern jedoch noch keine systematische Erklärung für die Entwicklungsregulation von Pflanzen.

Forschungsdurchbruch: Molekulare Mechanismen der Reaktion auf Umweltveränderungen

Die Regulierung der Pflanzenentwicklung ist ein äußerst komplexer Prozess, der Wechselwirkungen auf mehreren Ebenen beinhaltet. Wissenschaftler haben einige wichtige Forschungsergebnisse erzielt und viele wertvolle Forschungsrichtungen gefunden. Pflanzenhormone wie Auxin, Gibberelline und Cytokinine spielen eine wichtige Rolle bei der Pflanzenentwicklung. Vorhandene Studien haben gezeigt, dass Pflanzenhormone eine Schlüsselrolle bei der Reaktion von Pflanzen auf Umweltbelastungen wie Dürre, Salzstress und Hitzestress spielen. Beispielsweise kann die Ansammlung von ABA unter Trockenstress Abwehrreaktionen der Pflanze auslösen, wie etwa das Schließen der Stomata, wodurch die Wasserverdunstung reduziert wird[3]. Die Untersuchung der Reaktion und Anpassung von Pflanzen an Umweltbelastungen kann dazu beitragen, die komplexen molekularen Regulationsnetzwerke aufzudecken, die das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen steuern, darunter Signalübertragungswege, die Regulierung der Genexpression, Proteininteraktionen usw. Unter Umweltbelastungen können einige Gene induziert oder unterdrückt werden, was uns hilft, die Funktionen dieser Gene bei der Pflanzenentwicklung zu verstehen. Bei der Untersuchung der Reaktionen von Pflanzen auf Umweltbelastungen können neue Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen und andere regulatorische Elemente entdeckt werden, die in verschiedenen Stadien der Pflanzenentwicklung eine Schlüsselrolle spielen. Daher ist die Untersuchung der molekularen Mechanismen der Anpassung von Pflanzen an Umweltstress von großer Bedeutung für die Erklärung der Regulierung der Pflanzenentwicklung. Obwohl wir in unserer Forschung einige Durchbrüche erzielt haben, bedeutet die phänotypische Plastizität von Pflanzen, dass derselbe Genotyp unter unterschiedlichen Umweltbedingungen unterschiedliche Phänotypen aufweisen kann, was zusätzliche Variablen in die Forschung bringt, und die Komplexität der Interaktion zwischen Pflanzengenotyp und Umwelt erschwert die Forschung.

Ein neuer Ansatz zur Problemlösung basierend auf Anpassung

Wenn wir die oben genannten komplexen Probleme lösen können, werden wir keine statistischen Methoden mehr verwenden, um das Phänomen des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung zu analysieren. Aktivitäten zur Steuerung des Pflanzenwachstums, wie etwa das Anpflanzen von Feldfrüchten und die Aufzucht von Setzlingen, beruhen nicht allein auf Erfahrung. Stattdessen werden wir in der Lage sein, Theorien und Methoden der Pflanzenentwicklungsregulierung anzuwenden, um Ressourcen zu verteilen und das Pflanzenwachstum präzise zu steuern. Im Hinblick auf die Ernährungssicherheit kann die molekulare Züchtung beispielsweise dazu genutzt werden, ertragreiche Sorten zu entwickeln oder die Toleranz von Pflanzen gegenüber hohem Salzgehalt oder Dürre zu erhöhen und so die Nahrungsmittelproduktion unter widrigen Umweltbedingungen sicherzustellen. Im Sinne des Umweltschutzes können wir die ökologischen Eigenschaften und Erfolgsmechanismen invasiver Pflanzen besser verstehen und so eine wissenschaftliche Grundlage für das Management und die Kontrolle invasiver Pflanzen schaffen. Wir wissen, dass Pflanzen einen ganz offensichtlichen Effekt auf die Verbesserung der Umwelt haben. Wenn die Pflanzenentwicklung zu einem klaren und kontrollierbaren Prozess wird, wird dies auch dazu beitragen, zu erforschen, wie Pflanzen in rauen Umgebungen überleben und wie man durch Pflanzenauswahl und -anpflanzung die Bodenqualität verbessern und der Wüstenbildung vorbeugen kann. Darüber hinaus können wir durch die Untersuchung der genetischen Grundlagen und Evolutionsgesetze der Merkmalsbildung bei Pflanzen die genetischen Regulationsmechanismen der Pflanzenvielfalt und der komplexen Merkmalsbildung aufdecken, die für den Schutz und die Entwicklung pflanzlicher Keimplasmaressourcen von entscheidender Bedeutung sind.

Da immer mehr Gene und ihre biologischen Funktionen während des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung sowie die Mechanismen, mit denen Pflanzen auf die äußere Umgebung reagieren, aufgedeckt werden, werden unsere Forschungen und Durchbrüche bei der wissenschaftlichen Frage, wie Pflanzen ihr Wachstum regulieren, zu einem wichtigen Meilenstein in den Biowissenschaften.

Quellen:

[1] Weigel D, Jürgens G. Stammzellen, die Stämme bilden[J]. Nature, 2002, 415(6873): 751-754.

[2] Cheng T., Liu Z., Li H. et al. Auswirkungen väterlicher Spermienherkunft auf die Nischendifferenzierung von Wurzelstammzellen[J]. Nature, 2024: 1-8.

[3] Sun Z, Feng Z, Ding Y, et al. RAF22, ABI1 und OST1 bilden ein dynamisches interaktives Netzwerk, das das Pflanzenwachstum und die Reaktion auf Trockenstress in Arabidopsis optimiert[J]. Molecular Plant, 2022, 15(7): 1192-1210.

Autor: Zou Huijuan, populärwissenschaftlicher Autor

Gutachter: Wang Kang, Direktor des North Science Museum des National Botanical Garden, leitender Ingenieur auf Professorenebene