Auf der Suche nach dem geheimnisvollen Florigen

Was lässt Pflanzen blühen?

Buschwindröschen gehören zu den sogenannten Frühblühern. Bild vergrößern
Buschwindröschen gehören zu den sogenannten Frühblühern.

Woher weiß eine Pflanze, ob es gerade Frühling, Sommer oder Herbst ist und wann sie blühen muss? Vor bald 150 Jahren berichtete Julius Sachs, dass, wenn er ein Blatt einer im Dunkeln stehenden Ackerwinde beleuchtete, die Pflanze prompt ihre Blüte öffnete. Daraus folgerte er, dass es einen systemischen Signalweg vom Blatt zur Blütenknospe geben müsse. Doch weitere Hinweise darauf, was Pflanzen zum Blühen bringt, blieben aus – bis zur Entdeckung des Photoperiodismus 1920: In einem Tabakfeld in der Nähe von Washington D.C. in den USA entdeckten zwei Forscher des U.S.-Department of Agriculture, Wightman W. Garner und Harry A. Allard, eine Tabakmutante. Während die anderen Tabakpflanzen mit fortschreitender Jahreszeit blühten, wurde diese Mutante, Maryland Mammoth genannt, einfach nur größer und größer. Die beiden Forscher brachten Pflanzen ins Gewächshaus, wo sie vor Frost geschützt waren und im Dezember endlich blühten.

Garner und Allard machten auch Versuche mit der Sojabohnensorte Biloxi mit dem Ziel, den Zeitraum der Sojabohnenernte auszudehnen. Aber unabhängig vom Saattermin blühten alle Pflanzen zur selben Zeit, im September. Die Forscher begannen nun, diese beiden Pflanzensorten – den „Maryland Mammoth“-Tabak und die „Biloxi“-Sojabohne – unter verschiedenen kontrollierten Bedingungen zu kultivieren. Sie drehten an der Temperatur, der Feuchtigkeit, der Nährstoffzufuhr und den Lichtbedingungen. Und sie fanden schließlich heraus, dass der kritische Faktor bei beiden Pflanzen die Tageslänge ist: Keine der beiden Pflanzen begann zu blühen, ehe die Tageslänge eine kritische Anzahl von Stunden unterschritten hatte. Folglich blühten alle Sojabohnenpflanzen – egal, wann sie ausgesät worden waren – erst dann, wenn die Tage kurz genug waren, im September. Der „Maryland Mammoth“-Tabak blühte – egal wie hoch er gewachsen war – nicht vor Dezember, also dann, wenn die Tage noch kürzer sind.

Die beiden US-Forscher bezeichneten dieses Phänomen als Photoperiodismus. Die Photoperiode, also die tägliche Belichtungszeit, entscheidet darüber, ob bestimmte Morphosen (Gestaltänderungen) oder biologische Aktivitäten stattfinden können oder nicht. Garner und Allard versuchten, ihre Entdeckung an zahlreichen anderen Pflanzenarten zu bestätigen. Hierbei gelang es ihnen, unzählige Fragen zu beantworten, mit denen sich insbesondere Pflanzenzüchter schon lange beschäftigt hatten: Warum beispielsweise wächst Spinat nicht in den Tropen? Antwort: Weil Spinat, um zu blühen, wenigstens 14 Tage lang mindestens 14 Stunden Licht pro Tag benötigt – und das ist in den Tropen nie der Fall. Die Forscher fanden heraus, dass sich die Pflanzen in drei Haupttypen untergliedern lassen: in Kurztag- und Langtagpflanzen sowie in tagneutrale Pflanzen. Kurztagpflanzen blühen im zeitigen Frühjahr oder Herbst, wenn die Lichtphase relativ zur Dunkelphase kurz ist. Langtagpflanzen blühen dagegen hauptsächlich im Sommer; sie kommen erst bei Überschreiten einer kritischen Tageslänge zum Blühen. Tagneutrale Pflanzen blühen unabhängig von der Tageslänge.

Für die Pflanzen wirkt die Tageslänge als ein Maß der Jahreszeit. Die Bedeutung des Photoperiodismus liegt auf der Hand: Er steuert m Normalfall die Entwicklung so, dass beim Eintreten ungünstiger Witterungsperioden (Kälte- oder Trockenperioden) das Blühen und Fruchten abgeschlossen und Samen als Dauerstadien gebildet sind. Pflanzen können die Tageslänge auf 10 bis 15 Minuten genau erfassen. 1945 nahmen Forscher das Wirkungsspektrum der photoperiodischen Reaktion auf und wiesen auf die Bedeutung von Rotlicht hin. Wie später gezeigt wurde, steht der Photoperiodismus unter der Kontrolle des Phytochrom-Systems, einer weit verbreiteten Klasse von Photorezeptor-Proteinen. Sie messen das Verhältnis von hellrotem zu dunkelrotem Licht und steuern eine breites Spektrum von Antworten auf Lichtreize, unter anderem auch die Keimung und Blütenbildung. Die Photorezeptor-Proteine sitzen in den Blättern der Pflanze.

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