Pflanzen finden Licht über Lücken zwischen ihren Zellen | Quanta-Magazin

Auf einem mit Terracotta-Töpfen ausgelegten Regal neigen Kräuter ihre Stängel zum nächsten Fenster. In einem Feld aus goldenen Wildblumen drehen sich die Blätter mit dem Lauf der Sonne. In einem gesprenkelten Wald schlängeln sich Weinreben um die Bäume und strecken sich immer weiter nach oben und weg von der Dunkelheit.

Seit der Antike hat die Fähigkeit von Pflanzen, ihre augenlosen Körper auf die nächstgelegene, hellste Lichtquelle auszurichten – heute als Phototropismus bekannt – Wissenschaftler fasziniert und unzählige wissenschaftliche und philosophische Debatten ausgelöst. Und in den letzten 150 Jahren ist es Botanikern gelungen, viele der wichtigsten molekularen Signalwege zu entschlüsseln, die der Art und Weise zugrunde liegen, wie Pflanzen Licht wahrnehmen und auf diese Informationen reagieren.

Dennoch bleibt ein kritisches Geheimnis bestehen. Tiere nutzen die Augen – ein komplexes Organ aus Linsen und Fotorezeptoren –, um sich ein detailliertes Bild der Welt um sie herum zu machen, einschließlich der Richtung des Lichts. Biologen haben festgestellt, dass Pflanzen über eine Reihe leistungsstarker molekularer Werkzeuge zur Messung der Beleuchtung verfügen. Aber wie können Pflanzen ohne offensichtliche physische Sinnesorgane wie Linsen herausfinden, aus welcher Richtung das Licht genau kommt?

Jetzt hat ein Team europäischer Forscher eine Antwort gefunden. In einem aktuellen Artikel veröffentlicht Wissenschaft, sie berichten, dass ein Unkraut am Straßenrand – Arabidopsis, ein Favorit der Pflanzengenetiker, nutzt die Lufträume zwischen seinen Zellen, um Licht zu streuen und so den Weg des Lichts durch sein Gewebe zu verändern. Auf diese Weise erzeugen die Luftkanäle einen Lichtgradienten, der den Sämlingen hilft, genau zu bestimmen, woher das Licht kommt.

Durch die Nutzung von Luftkanälen zur Lichtstreuung umgehen Pflanzen die Notwendigkeit separater Organe wie Augen und nutzen stattdessen einen einfacheren Trick: die Fähigkeit, tatsächlich mit dem gesamten Körper zu „sehen“.

Eine tief verwurzelte Debatte

Warum und wie sich Pflanzen am Licht orientieren, wurde untersucht Gegenstand heftiger Debatten seit weit über 2,000 Jahren. Frühe griechische Philosophen argumentierten, dass Pflanzen wie Tiere zu Empfindungen und Bewegungen und sogar zu Verlangen und Intelligenz fähig seien. Spätere Denker wie Aristoteles behaupteten jedoch, dass Pflanzen von Natur aus passiv seien und nicht in der Lage seien, ihre Umgebung wahrzunehmen, geschweige denn, sich mit ihr zu bewegen. „Pflanzen haben weder Empfindung noch Verlangen“, schrieb er Auf Pflanzen. „Diese Ansichten müssen wir als unhaltbar zurückweisen.“ Jahrhundertelang neigten Gelehrte dazu, ihm zuzustimmen.

Erst 1658 etablierte der Alchemist und Naturphilosoph Thomas Browne den Phototropismus als Tatsache, indem er dokumentierte, dass Senfkeimlinge, die in Töpfen in einem Keller wuchsen, ihr Wachstum beharrlich auf ein offenes Fenster ausrichteten. Doch mehr als zwei Jahrhunderte lang stritten sich Biologen weiterhin darüber, wie die Pflanzen dies taten und ob sie auf das Licht oder die Hitze der Sonne reagierten.

Im Jahr 1880 führten Charles Darwin und sein Sohn Francis Experimente durch, um einen phototropen Mechanismus zu beschreiben, der schließlich bewiesen wurde. Wie beschrieben in Die Kraft der Bewegung in Pflanzen, züchteten die beiden in einem dunklen Raum Setzlinge – Pflanzen, die noch keine Photosynthese durchführen konnten und stattdessen auf die gespeicherte Energie ihrer Samen angewiesen waren. Wenn blaues Licht aus einer bestimmten Richtung auf sie fiel, griffen die Pflanzen danach. Während die Darwins dann das Licht im Raum bewegten, verfolgten sie die entsprechenden Bewegungen der Sämlinge.

Basierend auf ihren Experimenten vermuteten die Darwins, dass Sämlinge an der Spitze des Sprosses am lichtempfindlichsten sind und dass das, was sie dort wahrnehmen, zur Produktion einer Substanz führt, die die Wachstumsrichtung der Pflanze beeinflusst. In den 1920er Jahren hatten sich Botaniker auf einen bequemen Konsens geeinigt, der dieses Modell weiter ausführte: dass Pflanzen an ihren Spitzen Lichtsensoren hatten und dass sie Hormone (später als Auxin bezeichnet) produzierten, die mehr Wachstum auf ihren Schattenseiten förderten, wodurch ihre Stängel und Blätter entstanden sich dem Licht zuwenden.

Wie viele große Entdeckungen warf auch diese eine neue Frage auf: Wie genau konnten Pflanzen überhaupt Licht wahrnehmen? Ihnen fehlte jedes offensichtliche Sinnesorgan. Forscher begannen zu vermuten, dass Pflanzen über ausgefeilte sensorische Fähigkeiten verfügen müssen.

Molekularbiologen griffen die Sache auf und zeigten, dass Pflanzen ein weitaus breiteres Lichtspektrum messen und darauf reagieren können als wir mit unseren Tieraugen, obwohl ihnen ein spezielles Wahrnehmungsorgan fehlt. Fünf verschiedene Familien von Photorezeptoren sowie Hormone und Signalwege arbeiten zusammen, um bis auf zellulärer Ebene die Richtung zu bestimmen, in der eine Pflanze neues Gewebe aufbaut – und erklären, wie sich Stängel je nach Bedarf drehen, wenden und nach oben schießen. Diese Photorezeptoren seien im gesamten Pflanzenkörper verteilt, konzentrierten sich jedoch größtenteils im inneren Gewebe des Stängels, sagte er Christian Fankhauser, Pflanzenbiologe an der Universität Lausanne in der Schweiz und Autor der neuen Studie.

Allerdings reichen einfache Sensoren allein nicht aus, um Pflanzen die Möglichkeit zu geben, die Richtung des Lichts zu bestimmen. Um die Richtung starker Beleuchtung bestmöglich zu bestimmen, muss eine Pflanze in der Lage sein, Signale zwischen verschiedenen Photorezeptoren zu vergleichen, damit sie ihr Wachstum auf das intensivste Licht ausrichten kann. Und dazu benötigen sie einfallendes Licht, das in einem Farbverlauf vom hellsten zum dunkelsten auf ihre Sensoren fällt.

Tiere haben dieses Problem durch die Entwicklung von Augen gelöst. Ein einfacher Organismus wie ein Planarienwurm kommt mit „Augenflecken“ aus, die lediglich die Anwesenheit oder Abwesenheit von Licht wahrnehmen. Bei komplexeren Tieraugen wie unserem eigenen anatomische Merkmale wie die Linse direktes Licht auf die Netzhaut, das voller Fotosensoren ist. Das Gehirn vergleicht dann die durch die gekrümmte Linse eintreffende Lichtmenge mit der Menge, die auf einzelnen Zellen registriert wird. Dieses System, das physikalische Lichtmanipulation mit molekularen Sensoren kombiniert, ermöglicht die Erkennung feinkörniger Helligkeits- und Schattenverläufe und deren Auflösung in das Bild, das wir Sicht nennen.

Da Pflanzen jedoch kein Gehirn haben, benötigen sie ein passives System, um zu den gleichen Schlussfolgerungen zu gelangen. Deshalb ist die Fähigkeit von Pflanzen, physikalische Gradienten zu bilden, wichtig: Sie schaffen inhärente Unterscheidungen zwischen Zellen, ohne dass die Pflanze aktive Vergleiche anstellen muss.

Somit standen die Botaniker vor einem Rätsel. War Phototropismus, wie manche vermuteten, ein rein molekularer Prozess, oder könnten Pflanzen Lichtstrahlen verändern, um einen Gradienten zu erzeugen und ihre Reaktion besser zu steuern? Wenn Letzteres zutrifft, müssen Pflanzen über physikalische Strukturen verfügen, die es ihnen ermöglichen, Licht zu bündeln.

Diese Struktur würde schließlich in einer mutierten Version eines Unkrauts am Straßenrand identifiziert werden, das Schwierigkeiten hatte, das Licht zu finden.

Der blinde Mutant

Ackerschmalwand – in der Wissenschaft bekannt als Arabidopsis thaliana – ist keine besonders attraktive Pflanze. Das 25 Zentimeter hohe Unkraut liebt unruhiges Gelände, Feldränder und Straßenränder. Ursprünglich in Afrika und Eurasien beheimatet, kommt es heute auf allen Kontinenten außer der Antarktis vor. Pflanzenbiologen haben es inzwischen an einen wissenschaftlichen Lebensstil angepasst: Sein kurzer Lebenszyklus, sein kleines Genom (im Jahr 2000 vollständig kartiert) und die Tendenz, im Labor nützliche Mutationen hervorzurufen, machen ihn zu einem hervorragenden Modellorganismus für das Verständnis von Pflanzenwachstum und Genetik.

Fankhauser hat mit zusammengearbeitet Arabidopsis seit 1995, um zu untersuchen, wie Licht das Pflanzenwachstum beeinflusst. Im Jahr 2016 untersuchte sein Labor die Gene von Sämlingen, um mutierte Pflanzen mit ungewöhnlichen Reaktionen auf Licht zu finden. Sie züchteten die Samen in einem dunklen Raum mit blauem Licht, um die Sämlinge zur Seite zu lenken. Von da an verlief das Experiment mehr oder weniger wie bei den Darwins vor 150 Jahren: Als die Forscher die Richtung des Lichts änderten, orientierten sich die Pflanzen daran.

Allerdings hatte eine mutierte Pflanze Probleme. Obwohl es kein Problem damit hatte, die Schwerkraft zu spüren, schien es nicht in der Lage zu sein, Licht zu verfolgen. Stattdessen beugte es sich in alle Richtungen, als wäre es blind und tastete im Dunkeln herum.

Anscheinend war etwas mit der Fähigkeit des Mutanten, Licht wahrzunehmen, schief gelaufen. Als das Team die Pflanze untersuchte, stellte es fest, dass sie über die typischen Photorezeptoren verfügte, so die Pflanzenbiologin Martina Legris, Postdoktorandin in Fankhausers Labor und Mitautorin der neuen Arbeit. Doch als das Team den Stamm unter dem Mikroskop betrachtete, bemerkte es etwas Seltsames.

Das wilde ArabidopsisWie die meisten Pflanzen hat es Luftkanäle zwischen seinen Zellen. Diese Strukturen ähneln Lüftungsschächten, die um die versiegelten Zellkompartimente gewebt sind, und es ist bekannt, dass sie sowohl bei der Photosynthese als auch bei der Sauerstoffversorgung von Zellen eine wichtige Rolle spielen. Doch die Luftkanäle der mutierten Pflanze waren mit Wasser überflutet. Das Team verfolgte die Mutation des Gens abcg5, das ein Protein produziert, das dazu beitragen kann, die Zellwand wasserdicht zu machen, um sicherzustellen, dass die Luftschächte der Pflanze wasserdicht sind.

Fasziniert versuchten die Forscher ein Experiment. Sie füllten die interzellulären Luftschächte nicht mutierter Pflanzen mit Wasser, um zu sehen, ob sich dies auf ihr Wachstum auswirkte. Wie die Mutanten hatten auch diese Pflanzen Schwierigkeiten zu bestimmen, woher das Licht kam. „Wir können sehen, dass diese Pflanzen genetisch normal sind“, sagte Legris. „Das Einzige, was ihnen fehlt, sind diese Luftkanäle.“

Die Forscher folgerten, dass sich die Pflanze durch einen Mechanismus am Licht orientiert, der auf dem Phänomen der Brechung basiert – der Tendenz des Lichts, die Richtung zu ändern, wenn es verschiedene Medien durchquert. Aufgrund der Brechung, erklärte Legris, geht Licht durch eine Normale Arabidopsis verstreut sich unter der Oberfläche des Stängels: Jedes Mal, wenn es sich durch eine Pflanzenzelle, die größtenteils aus Wasser besteht, und dann durch einen Luftkanal bewegt, ändert es seine Richtung. Da dabei ein Teil des Lichts umgelenkt wird, entsteht durch die Luftkanäle ein steiler Lichtgradient über verschiedene Zellen hinweg, anhand dessen die Pflanze die Richtung des Lichts beurteilen und dann darauf zuwachsen kann.

Sind diese Luftkanäle hingegen mit Wasser gefüllt, verringert sich die Lichtstreuung. Pflanzenzellen brechen das Licht ähnlich wie ein überfluteter Kanal, da beide Wasser enthalten. Anstatt zu streuen, dringt das Licht fast direkt durch die Zellen und die überfluteten Kanäle bis tiefer in das Gewebe hinein, wodurch der Lichtgradient verringert und dem Keimling Unterschiede in der Lichtintensität vorenthalten werden.

Das Licht sehen

Die Forschung legt nahe, dass diese Luftkanäle eine entscheidende Rolle dabei spielen, jungen Pflanzen dabei zu helfen, das Licht zu verfolgen. Roger Hangarter, ein Pflanzenbiologe an der Indiana University Bloomington, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, lobte sie für die Suche nach einer cleveren Lösung für ein seit langem bestehendes Problem. Fankhauser, Legris und ihre Kollegen „haben die Bedeutung dieser Lufträume ziemlich gut auf den Punkt gebracht“, sagte er.

Die Idee sei schon einmal aufgekommen, bemerkte Hangarter. 1984 schlug ein Forscherteam der University of York dies vor Luftkanäle zwischen Pflanzenzellen könnte dabei helfen, den notwendigen Lichtgradienten festzulegen. Da das Team jedoch nicht über die finanziellen Mittel verfügte, um teure Experimente durchzuführen, blieb ihr Vorschlag ungeprüft.

„Es war für uns immer ein Rätsel, wie diese kleinen, winzigen – fast transparenten – [embryonalen Pflanzen] einen Gradienten erkennen konnten“, sagte Hangarter. „Wir haben der Luft-Raum-Sache nie wirklich viel Glauben geschenkt, weil wir abgelenkt waren und nach den beteiligten Molekülen suchten. Wenn man einen bestimmten Forschungsweg einschlägt, werden einem Scheuklappen auferlegt.“

Der Luftkanalmechanismus verbindet andere raffinierte Vorrichtungen, die Pflanzen entwickelt haben, um zu steuern, wie sich Licht durch sie bewegt. Untersuchungen von Hangarter haben beispielsweise dazu beigetragen, festzustellen, dass Chloroplasten – die Zellorganellen, die die Photosynthese durchführen – tanzen aktiv in den Blattzellen Licht bewegen. Chloroplasten können sich gierig in der Mitte der Zelle ansammeln, um schwaches Licht aufzusaugen, oder an die Ränder flüchten, um stärkeres Licht tiefer in das Pflanzengewebe eindringen zu lassen.

Die neuen Erkenntnisse über Luftkanäle erstrecken sich vorerst nur auf Sämlinge. Während diese Luftkanäle auch in erwachsenen Blättern vorkommen, wo sie nachweislich eine Rolle bei der Lichtstreuung und -verteilung spielen, habe noch niemand getestet, ob sie eine Rolle beim Phototropismus spielen, sagte Legris.

Wie lange Luftkanäle diese Rolle schon spielen, ist unklar. Primitive Landpflanzenfossilien aus der Zeit vor 400 Millionen Jahren zeigen weder Wurzeln noch Blätter – wohl aber das Kerngewebe der Pflanzen ziemlich große interzelluläre Lufträume. Vielleicht seien sie ursprünglich zur Gewebebelüftung oder zum Gasaustausch entstanden, sagte Fankhauser, und seien dann an ihre Rolle im Phototropismus angepasst worden. Oder vielleicht haben Pflanzen teilweise Lufträume in Stängeln entwickelt, um ihnen die Wahrnehmung von Licht zu erleichtern, und sie dann für andere Funktionen genutzt.

„Das tiefere Verständnis dieser Strukturen – wie sie aufgebaut sind, welcher Mechanismus dahinter steckt – ist für Pflanzenbiologen über die Frage hinaus interessant, wie Pflanzen die Lichtrichtung wahrnehmen“, sagte Fankhauser.

Es könnte auch dazu beitragen, den Geist des Aristoteles auszutreiben, der immer noch in der Wahrnehmung von Pflanzen durch die Menschen schwebt, sagte er. „Viele Menschen haben das Gefühl, dass Pflanzen sehr passive Organismen sind – sie können nichts vorhersehen; Sie tun einfach, was ihnen passiert.“

Aber diese Idee basiert auf unseren Erwartungen, wie Augen aussehen sollten. Es stellt sich heraus, dass Pflanzen eine Art des Sehens mit ihrem ganzen Körper entwickelt haben, der in die Lücken zwischen ihren Zellen eingewebt ist. Sie brauchen nichts so Ungeschicktes wie ein Paar Augen, um dem Licht zu folgen.