Neue wissenschaftliche Entdeckungen! Welchen Einfluss hat die Tageslichtlänge auf das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzensamen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Hu Yilong (Südchinesischer Botanischer Garten, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der Philosoph sagte, dass es auf der Welt keine zwei identischen Blätter gibt.

Botaniker sagen, dass man nie zwei Samen finden wird, die genau gleich sind.

Die Samen verschiedener Arten unterscheiden sich erheblich in Aussehen, Größe, Farbe und Nährstoffgehalt, und auch die Samen der gleichen Art unterscheiden sich. Die Gründe für diese Veränderungen sind Umweltveränderungen und genetische Mutationen.

Der auffälligste dieser Unterschiede, ob groß oder klein, ist die Größe der Samen. Selbst wenn Sie keine landwirtschaftliche Erfahrung haben, können Sie, wenn Ihnen zwei verschiedene Samen vorgesetzt werden, meiner Meinung nach erkennen, dass der Samen mit den großen und vollen Körnern der gute ist!

Im Laufe der Jahrtausende währenden Domestizierung von Nutzpflanzen und der künstlichen Domestizierung mehrerer wichtiger Nahrungsmittelpflanzen, darunter Reis, Sojabohnen und Mais, kam es bei allen zu einem Prozess der Veränderung der Samengröße von klein zu groß. Darüber hinaus liefern die Nährstoffe in den Samen Energie für die Samenkeimung. Große und volle Samen können besser keimen und gewährleisten so eine reibungslose Vererbung des Lebens.

Wie können wir also große, pralle und hochwertige Samen züchten?

Reife Weizenähren auf dem Feld

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Photoperiode als Wachstumsregulator für Pflanzen

Durch die Rotation der Erde kommt es zu einem Wechsel von Tag und Nacht im Laufe eines Tages, während die Umdrehung der Erde um die Sonne eine Veränderung der Tageslichtlänge im Jahresverlauf mit sich bringt. Dieser Wechsel der Länge von Hell- und Dunkelperioden innerhalb von 24 Stunden am Tag wird als Photoperiode bezeichnet.

Die Photoperiode ist der stabilste Umweltfaktor in der Natur. Die Sommersonnenwende und die Wintersonnenwende sind im Jahr die beiden Tage mit der längsten bzw. kürzesten Lichtperiode. Organismen auf der Erde können jahreszeitliche Veränderungen durch Photoperioden wahrnehmen und Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung in der dafür am besten geeigneten Jahreszeit abschließen. Je nach Jahreszeit führen die Menschen auch verschiedene landwirtschaftliche Produktionstätigkeiten durch.

In der landwirtschaftlichen Produktion sind die Menschen vor allem an der Reaktion der Blütezeit der Pflanzen auf die Photoperiode interessiert. Je nach der Länge des Tageslichts, das die Blüte einleitet, können Pflanzen in Langtagpflanzen, die an langen Tagen blühen, und Kurztagpflanzen, die an kurzen Tagen blühen, unterteilt werden. Darüber hinaus gibt es Mitteltagpflanzen und tagneutrale Pflanzen, die unempfindlich gegenüber der Photoperiode sind.

Im Laufe der Jahre hat man ein relativ klares Verständnis der Auswirkungen der Photoperiode auf die Pflanzenblüte und der ihr zugrunde liegenden molekularen Mechanismen entwickelt, doch wie sie sich auf die Entwicklung nach der Blüte, insbesondere auf die Samenentwicklung, auswirkt, bleibt unklar. In Analogie zu früheren Studien über Blüten und Photoperioden kam mir jedoch eine Idee: Kann das Wachstum von Samen auch durch unterschiedliche Tageslichtlängen reguliert werden?

Vom Samen zum Keimling

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Wie werden Samen groß und prall? Es hängt mit der Sonneneinstrahlung zusammen, aber Sie müssen nicht die ganze Zeit in der Sonne bleiben!

Tatsächlich hängt die Samengröße von Pflanzen eng mit der Photoperiode zusammen.

In den letzten Jahren hat sich das Forschungsteam von Hu Yilong/Hou Xingliang vom Südchinesischen Botanischen Garten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften auf die Untersuchung der Entwicklung von Pflanzensamen konzentriert. Ausgehend von der Frage, wie Umweltfaktoren die Größe von Pflanzensamen beeinflussen, entdeckten wir ein universelles Gesetz, das besagt, dass die Länge des Tageslichts (Photoperiode) die Samengröße beeinflusst. Durch unsere Forschung haben wir nicht nur die Beziehung zwischen Photoperiode und Samengröße entdeckt, sondern auch das Gen gefunden, das bei Pflanzen auf die Photoperiode reagiert – das CO-Gen. Wie wurde also das konkrete Experiment durchgeführt?

Zunächst wählten die Forscher für ihre Untersuchung zwei Pflanzenarten mit repräsentativen Photoperiodenmerkmalen aus, nämlich die Langtagpflanzen Lotus japonicus, Erbse und Arabidopsis thaliana sowie die Kurztagpflanzen Sojabohne, Adzukibohne und Phaseolus vulgaris.

Tatsächlich fällt es uns nicht schwer, eine solche Vermutung anzustellen, wenn wir uns nur die Kategorien ansehen, zu denen diese Pflanzen gehören: Liegt es daran, dass Langtagpflanzen die Sonne bevorzugen und unter Langtagbedingungen pralle Samen bilden können, während bei Kurztagpflanzen das Gegenteil der Fall ist?

Dies ist tatsächlich der Fall. Durch die Beobachtung der Samengröße dieser Pflanzen unter verschiedenen Photoperiodenbedingungen entdeckten die Forscher ein interessantes Phänomen mit einem universellen Gesetz. Die drei Langtagpflanzen (Lotus, Erbse und Arabidopsis) produzierten an Langtagen größere Samen als an Kurztagen, während die drei Kurztagpflanzen (Sojabohne, Adzukibohne und Gartenbohne) an Kurztagen größere Samen produzierten.

Wir wissen, dass unterschiedliche Pflanzen unterschiedliche Lichtperioden benötigen, die für ihr Wachstum geeignet sind. Dann stellt sich erneut die Frage, welcher Mechanismus bei Pflanzen am Werk ist, der dafür sorgt, dass manche Pflanzen die Sonne lieben, während andere sie nicht so sehr lieben?

Anschließend führten die Forscher eingehende Untersuchungen an der Langtagpflanze Arabidopsis thaliana durch und fanden heraus, dass das Gen des Photoperioden-Reaktionsfaktors CO eine Schlüsselrolle spielte. Wenn das CO-Gen mutiert, produzieren die Pflanzen bei unterschiedlichen Photoperioden Samen der gleichen Größe.

Es stellt sich heraus, dass es die Funktion des CO-Gens ist, die dafür sorgt, dass Pflanzen unterschiedlich auf verschiedene Lichtzyklen reagieren. Später fanden die Forscher mithilfe von Bioinformatik, Genetik, Molekularbiologie und anderen Methoden heraus, dass das CO-Gen die Transkription des Transkriptionsfaktors AP2 direkt hemmt und die Samengröße in einer von der Photoperiode abhängigen Weise reguliert. Weitere zellmorphologische Beobachtungen und Analysen ergaben, dass das CO-Gen die Samengröße beeinflusst, indem es die Anzahl der Epidermiszellen in der Samenschale erhöht.

Darunter befindet sich auch eine interessante Entdeckung. Die Forscher fanden heraus, dass nur das CO-Gen des mütterlichen Elternteils die Funktion hat, die Samengröße zu regulieren, während das Gen des väterlichen Elternteils keinen Einfluss auf die Samengröße hat.

Das CO-Gen hat nicht nur in Arabidopsis eine solche regulatorische Funktion, sondern die Forscher konnten auch nachweisen, dass das CO-Gen in der Nutzpflanze Sojabohne ähnliche Funktionen hat.

Die Rolle des CO-Gens bei der photoperiodisch induzierten Samenentwicklung

(Bildquelle: Referenz [1])

Abschluss

Heute wissen wir, dass die Photoperiode einen direkten regulierenden Einfluss auf die Samenentwicklung hat und dass das CO-Gen in diesem Prozess eine zentrale Rolle spielt.

Wie das alte Sprichwort sagt: Alles wächst mit Hilfe der Sonne. Die Sonne spendet Licht und Wärme und Pflanzen sind auf sie angewiesen, um den Wechsel der Jahreszeiten wahrzunehmen. Manche Pflanzen mögen die Sonne lieber, während andere sie nicht so sehr mögen. Wenn wir die direkten Auswirkungen von Umweltfaktoren auf die Saatgutentwicklung verstehen, können wir uns eher an die örtlichen Gegebenheiten anpassen und qualitativ hochwertigeres, volleres Saatgut sowie stärkere und ertragreichere Pflanzen züchten und so das Ziel erreichen, „Nahrungsmittel in der Hand zu haben und nicht in Panik zu geraten“.

Quellen:

[1] https://www.nature.com/articles/s41477-023-01350-y

Herausgeber: Guo Yaxin