Entwichklungsphysiologie

• Embryonalentwicklung:

  • Aus der befruchteten Eizelle (Zygote) entwickelt sich durch asymmetrische Zellteilungen der pflanzliche Embryo, in dem Spross und Wurzel bereits sehr früh angelegt werden.

• Juvenile Phase (Vegetativer Phasenwechsel):

  • Periode des vegetativen Wachstums, geprägt von der Entwicklung des Keimlings und der Ausbildung von vegetativen Organen wie Wurzeln und Blättern.

• Adulte Phase:

  • Abschluss des vegetativen Phasenwechsels, die Pflanze erreicht ihre volle Größe und Reife.

• Reproduktive Phase:

  • Gekennzeichnet durch die Induktion der Blütenbildung und die Fortpflanzung (Befruchtung)

• Einlagerung von Speichermolekülen: Fette, Proteine und Zucker (Stärke) werden als Reservestoffe eingelagert.

• Reduktion der physiologischen Aktivität: Die Zellatmung und der Chlorophyllgehalt sinken drastisch.

• Austrocknung: Der Wassergehalt des Samens wird stark reduziert, was in die Samenruhe (Dormanz) überleitet

• Vorzeitiges Keimen von Samen, während sie noch mit der Mutterpflanze verbunden sind (z.B. Keimlinge, die direkt aus einer Frucht wie Tomate, Erdbeere oder Maiskolben wachsen).

• Es handelt sich um eine Keimung ohne vorherige Quieszenz- oder Dormanz-Phase (Samenruhe)

• Wasseraufnahme (Quellung): Initiator für Stoffwechselprozesse.

• Kälte: Bricht die Dormanz (Stratifikation).

• Licht: Hellrotes Licht bricht bei bestimmten Arten (z.B. Salatsamen) die Samenruhe.

• Hormoneller Abbau: Die Verringerung der Konzentration des keimungshemmenden Hormons Abscisinsäure (ABA) ist entscheidend für den Keimungsprozess

• Die Brechung der Samenruhe (Dormanz) durch einen längeren Kältereiz

• Quellung: Der Samen beginnt, Wasser aufzunehmen.

• Aufbrechen der Samenschale: Durch den Wasserdruck reißen Testa und Endosperm auf.

• Wurzelwachstum: Die Keimwurzel (Radicula) tritt aus und verankert sich im darunterliegenden Substrat.

• Sprossdurchbruch: Der Spross durchbricht die Erdoberfläche.

• Vegetationsphase: Die Pflanze mobilisiert Hauptnährstoffe und entwickelt ihre ersten Blätter

• Skotomorphogenese (Dunkelentwicklung): Langes, stark gestrecktes Hypokotyl, Ausbildung eines Hypokotylhakens zum Schutz des Meristems, ungeöffnete und gelbliche Keimblätter (Kotyledonen), schwach ausgebildetes Wurzelsystem.

• Photomorphogenese (Lichtentwicklung): Kurzes Hypokotyl (Wachstum stoppt), kein Haken, geöffnete und ergrünte Keimblätter, starke Wurzelentwicklung

• Keimung von Samen (Brechung der Dormanz).

• De-Etiolierung (Wechsel von Skoto- zu Photomorphogenese).

• Blattentwicklung und Chlorophyllsynthese.

• Internodiumsverlängerung bei adulten Pflanzen (Schattenvermeidungsreaktion).

• Blütenbildung (bei bestimmten Pflanzen) und Replikation von Plastiden

• Phytochrome sind Photorezeptoren, die zwischen zwei Zuständen hin- und herwechseln können, basierend auf einer cis-trans-Isomerisierung ihres Chromophors.

  • Inaktive Form (Pr): Absorbiert hellrotes Licht (ca. 660 nm) und wandelt sich dadurch in die aktive Pfr-Form um.

  • Aktive Form (Pfr): Absorbiert dunkelrotes Licht (ca. 730 nm) und wandelt sich dadurch wieder in die inaktive Pr-Form zurück

• Blätter von Nachbarpflanzen absorbieren hellrotes (und blaues) Licht für die Photosynthese, lassen aber dunkelrotes Licht ungehindert passieren.

• Pflanzen im Schatten erfahren daher ein verändertes Lichtspektrum mit einem sehr niedrigen Verhältnis von Hellrot zu Dunkelrot (low R:FR).

• Dieser Überschuss an Dunkelrotlicht überführt das Phytochrom in die inaktive Pr-Form, was der Pflanze "Dunkelheit" simuliert und das Entwicklungsprogramm für starkes Längenwachstum (um dem Schatten zu entkommen) aktiviert

• Die Absorption von Rotlicht führt zu einer strukturellen Konformationsänderung, die eine Kernlokalisierungssequenz (NLS) und eine Proteinkinasedomäne freilegt.

• Die aktive Pfr-Form wandert vom Cytoplasma in den Zellkern.

• Im Zellkern fungiert ein Teil als Kinase und phosphoryliert Proteine, während ein anderer Teil direkt mit Transkriptionsfaktoren interagiert.

• Dies löst eine massive transkriptionelle Kaskade aus, die die Expression von tausenden Genen verändert

• Über spezielle Photorezeptoren, die in zwei Hauptklassen unterteilt werden:

• Phototropine: Zuständig für die Wahrnehmung der Lichtrichtung und das Wachstum hin zur Lichtquelle (Phototropismus) im Zusammenspiel mit dem Hormon Auxin.

• Cryptochrome: Regulieren Prozesse wie die lichtabhängige Keimlingsentwicklung (De-Etiolierung) und den Blühzeitpunkt

• COP1 wirkt als zentraler Repressor (Unterdrücker) der Photomorphogenese im Dunkeln.

• Es baut durch Ubiquitinierung wichtige Transkriptionsfaktoren (wie HY5) ab, die für die Lichtentwicklung nötig sind.

• Sobald Licht von Phytochromen und Cryptochromen wahrgenommen wird, hemmen diese COP1, wodurch die Photomorphogenese ablaufen kann

• Sie stellt sicher, dass Samen in gemäßigten Breiten nicht bereits im warmen Herbst keimen, sondern erst, nachdem ein kalter Winter durchlebt wurde.

• Dies garantiert, dass der Keimling im Frühjahr bei optimalen Bedingungen heranwächst und nicht im Winter erfriert

• Ein typisches Bild für eine solche Mutante (wie in der Vorlesung gezeigt) ist eine cop1-Mutante: Obwohl sie im Dunkeln wächst, zeigt sie die Charakteristika der Lichtentwicklung (Photomorphogenese mit kurzem Hypokotyl und geöffneten Kotyledonen).

• Funktion der Mutation: Da COP1 fehlt oder defekt ist, kann die Photomorphogenese im Dunkeln nicht mehr unterdrückt werden.

• Die Signalwege beider Photorezeptoren konvergieren am Repressor COP1.

• Sowohl durch Rotlicht aktivierte Phytochrome (phyA, phyB) als auch durch Blaulicht aktivierte Cryptochrome (cry1, cry2) hemmen die Aktivität von COP1, wodurch sie gemeinsam Transkriptionsfaktoren (wie HY5) vor dem Abbau schützen und die Lichtentwicklung parallel einleiten.

• Der Transport erlaubt eine extrem direkte Signalweiterleitung, da der Rezeptor selbst direkt an die DNA bindet oder mit Transkriptionsfaktoren im Kern interagiert.

• Dies minimiert die Abhängigkeit von diffundierenden, sekundären Botenstoffen im Cytosol, beschleunigt die Reaktionszeit und ermöglicht eine weitreichende, direkte transkriptionelle Kaskade (Regulation von 1000en Genen gleichzeitig)

Charakteristika der Photo- und Skotomorphogenese

Skotomorphogenese (Entwicklung im Dunkeln):

• Ausbildung eines stark verlängerten Hypokotyls.

• Bildung eines sogenannten Hypokotylhakens zum Schutz des Meristems beim Durchbrechen der Erde.

• Die Keimblätter (Kotyledonen) bleiben zusammengefaltet und geschlossen.

• Das Wurzelsystem ist im Vergleich zur Lichtentwicklung weniger stark ausgeprägt

Photomorphogenese (Entwicklung im Licht):

• Das Streckungswachstum des Hypokotyls ist gehemmt, es bleibt kurz.

• Der Hypokotylhaken öffnet sich (bzw. wird gar nicht erst gebildet).

• Die Keimblätter entfalten sich und ergrünen.

• Das Wurzelsystem ist deutlich stärker entwickelt

Durch Rotlicht regulierte pflanzliche Entwicklungsschritte

• Keimung der Samen.

• De-Etiolierung (Wechsel von Skotomorphogenese zu Photomorphogenese).

• Entwicklung der Blätter.

• Synthese von Chlorophyll.

• Internodiumsverlängerung bei adulten Pflanzen (Teil der Schattenvermeidungsreaktion),.

• Blütenbildung bei manchen Pflanzenarten.

• Replikation von Plastiden

Das Phytochrom-System als molekularer Schalter

• Phytochrome sind Photorezeptoren, die durch Licht bestimmter Wellenlängen zwischen einem inaktiven und einem aktiven Zustand hin- und hergeschaltet werden können.

• Inaktive Form (Pr): Diese Form absorbiert hellrotes Licht (Red) und wird dadurch in die aktive Pfr-Form umgewandelt,.

• Aktive Form (Pfr): Diese Form absorbiert dunkelrotes Licht (Far-red) und wandelt sich dadurch wieder in die inaktive Pr-Form zurück,.

• Die Basis dieses Schalters ist eine lichtabhängige cis-trans-Isomerisierung des an das Protein gebundenen Chromophors (Phytochromobilin)

Abläufe nach der Aktivierung der Phytochrome

• Die Absorption von Rotlicht durch das Chromophor bewirkt strukturelle Konformationsänderungen der Phytochrom-Untereinheiten.

• Durch diese Umstrukturierung werden im Protein eine Kernlokalisierungssequenz (NLS) sowie eine Proteinkinasedomäne freigelegt.

• Die aktive Form (Pfr​) verlagert sich daraufhin aus dem Cytoplasma in den Zellkern.

• Im Zellkern interagiert ein Teil des Pfr​ direkt mit Transkriptionsfaktoren und reguliert so unmittelbar die Genexpression.

• Ein anderer Teil des Pfr​ nutzt seine Kinaseaktivität, um andere Proteine zu phosphorylieren, welche die Transkription modulieren.

• Das Resultat ist eine massive transkriptionelle Kaskade, die die Aktivität von Tausenden von Genen beeinflusst

• Der Phasenwechsel wird durch das Zusammenspiel der microRNA miR156 und des Transkriptionsfaktors SPL gesteuert.

• In der juvenilen Phase blockiert miR156 die Ausprägung des SPL-Gens durch Bindung an dessen mRNA (Spaltung oder Translationshemmung).

• Während der Entwicklung sinkt der Spiegel an miR156 kontinuierlich.

• Dadurch wird der Transkriptionsfaktor SPL in der adulten Phase exprimiert, was die adulte Morphologie und die Blühkompetenz auslöst.

• a) Konstitutiv (zu viel miR156):

  Die Pflanze bleibt dauerhaft in der juvenilen Wuchsform stecken (z.B. runde Blätter ohne Trichome auf der Blattunterseite) und blüht nicht regulär.

• b) Gar nicht (ohne miR156):

  Die Pflanze überspringt die juvenile Phase, bildet sofort adulte Blätter (länglich, gezackt, Trichome auf der Unterseite) und geht verfrüht in die Blüte (reproduktive Phase) über.

• Photoperiode (Tageslänge).

• Temperatur und Vernalisation (längerer Kältereiz).

• Alter der Pflanze.

• Pflanzenhormone

• Das vegetativ wachsende Apikalmeristem (welches zuvor Blätter und Sprossabschnitte bildete) wandelt sich in ein Infloreszenzmeristem um.

• Aus diesem Infloreszenzmeristem entstehen dann Blütenmeristeme (welche zu den eigentlichen Blüten werden), Hochblätter sowie weitere Infloreszenzmeristeme

• Kurztagpflanze (KT):

  Blüht nur, wenn eine artspezifische, kritische Tageslänge unterschritten wird (die Nächte lang genug sind).

• Langtagpflanze (LT):

  Blüht nur, wenn eine artspezifische, kritische Tageslänge überschritten wird (die Tage lang genug sind)

Lieber eine Langtagpflanze, da in den skandinavischen Sommern (der Hauptwachstumszeit) die Tage extrem lang sind. Eine Kurztagpflanze würde in diesem Zeitraum nicht das benötigte Signal (kurze Tage) zum Blühen erhalten

• Die Tageslänge (Photoperiode) wird in den Blättern gemessen.

• Experimenteller Test ("Grafting" / Pfropfung): Man pfropft das Blatt einer Pflanze, die unter blühinduzierenden Bedingungen (z.B. Langtag für eine Langtagpflanze) stand, auf eine Pflanze, die sich unter nicht-induzierenden Bedingungen (Kurztag) befindet. Die uninduzierte Pflanze beginnt daraufhin zu blühen, was beweist, dass das Signal im Blatt erzeugt und in den Spross transportiert wird

• Ein kleines, mobiles Signalprotein namens FT (FLOWERING LOCUS T).

• Es wandert von den Blättern durch das Phloem (Siebröhren) bis in die Apikalknospe (das Sprossapikalmeristem), um dort das Blühen einzuleiten

• Im Apikalmeristem bildet das FT-Protein einen Komplex mit dem Protein FD.

• Dieser FT-FD-Komplex fungiert als Transkriptionsfaktor, der Blüh-Identitätsgene wie AP1 anschaltet und so die Transition zur Blüte startet

• Im Organismus läuft eine innere Uhr (~24h Rhythmus), welche die Expression bestimmter Faktoren (wie das Gen CO) steuert.

• Diese innere Rhythmik erzeugt ein bestimmtes "Zeitfenster der Empfindlichkeit".

• Eine Blühinduktion (die Signalweiterleitung an das Florigen) findet nur dann statt, wenn dieses interne molekulare Zeitfenster zeitlich genau mit einem externen Signal, dem Lichteinfall (Koinzidenzphase), übereinstimmt.

Langtagpflanzen:

• Die mRNA von CONSTANS (CO) erreicht ihr Maximum durch die innere Uhr am späten Nachmittag.

• Im Langtag fällt Licht auf dieses Zeitfenster.

• Lichtaktivierte Photorezeptoren (phyA, cry) stabilisieren das ansonsten instabile CO-Protein.

• Das stabile CO-Protein agiert als Transkriptionsfaktor und aktiviert die Expression des Florigens FT, die Pflanze blüht.

• Im Kurztag fällt die CO-Bildung in die Nacht, das Protein wird sofort abgebaut (Ubiquitinierung), kein Blühen.

Kurztagpflanzen (z.B. Reis):

• Das System ist ähnlich (CO=Hd1, FT=Hd3), allerdings hat CO eine entgegengesetzte Wirkung.

• In Gegenwart von Licht hemmt CO die Expression von FT.

• Unter Kurztag-Bedingungen liegt das Maximum der CO-Expression im Dunkeln, wo diese Hemmung ausfällt, woraufhin FT gebildet wird und die Pflanze blüht.

Innere Uhr:

• Ein endogener Rhythmus (circa 24h), der auch unter konstanten Laborbedingungen (z.B. Dauerdunkel) stabil weiterläuft und bestimmte Phänomene proaktiv vorhersagt ("freilaufend").

Hell-/Dunkelphasen:

• Sind rein exogene, umweltbedingte Stimuli, die den Rhythmus zwar anpassen (synchronisieren) können, aber im Gegensatz zu einer reinen Reiz-Reaktion (wie das einfache Sanduhrmodell) nicht alleinige Taktgeber sind.

• Antizipation: Die Pflanze kann tages- oder jahreszeitliche Ereignisse (wie den nahenden Sonnenaufgang) molekular vorhersehen und Prozesse (wie die Spaltöffnungen) schon vorbereiten, um Ressourcen optimal zu nutzen, anstatt nur passiv zu reagieren.

• Zuverlässigkeit: Die Photoperiode verläuft im Gegensatz zur sehr schwankenden Temperatur das ganze Jahr über exakt ab und ist daher ein zuverlässigerer Indikator für die genaue Jahreszeit (und den richtigen Blühzeitpunkt).

• Da der Spiegel von miR156 in der juvenilen Phase noch hoch ist und später abnimmt, könnte die Abnahme durch interne metabolische Signale der heranwachsenden Pflanze gesteuert werden, wie etwa das Alter per se oder die Menge an fixierter Energie (z.B. Zuckerkonzentrationen im Blattwerk).

• Je größer die Pflanze wird, desto mehr Zucker produziert sie, was ein Signal sein könnte, dass die Pflanze energetisch "reif" genug für den energieaufwendigen Schritt in die adulte und reproduktive Phase ist.

• Genexpression.

• Cytosolische Kalziumlevel und Proteinphosphorylierung.

• Chloroplastenbewegung.

• Öffnung der Stomata (Spaltöffnungen).

• Hypokotyllänge.

• Blatt- und Keimblattbewegung (Kotyledonen).

• Öffnen der Blütenblätter (Petalen).

• Blühzeitpunkt (Induktion).

• Man nutzt Mutanten von Arabidopsis thaliana (oder einer anderen Langtagpflanze), denen gezielt bestimmte Photorezeptoren fehlen (z.B. phyA-, phyB-, cry1- oder cry2-Mutanten).

• Diese Mutanten sowie Wildtyp-Pflanzen (Kontrolle) lässt man gezielt unter regulierten Langtag- und Kurztag-Lichtbedingungen aufwachsen.

• Wenn eine bestimmte Mutante unter Langtag-Bedingungen nicht mehr das charakteristische Blühverhalten zeigt (z.B. nicht blüht, da das CO-Protein nicht mehr vor dem Abbau geschützt wird), ist bewiesen, dass genau dieser fehlende Rezeptor essentiell für die Signalwahrnehmung der Photoperiode ist.

• miR156 immer exprimiert (zu viel):

  • Die Pflanze bleibt dauerhaft in der juvenilen Phase.

  • Sie bildet ausschließlich juvenile, abgerundete Blätter ohne Trichome auf der Blattunterseite und geht nicht normal in die Blühphase über.

• miR156 gar nicht exprimiert:

  • Die Pflanze überspringt die juvenile Wuchsform und geht verfrüht in die adulte und reproduktive Phase über.

  • Sie bildet sofort adulte Blätter (z.B. länglich, gezackt, mit Trichomen auf der Unterseite) und blüht extrem früh,.

• Das zuvor vegetativ wachsende Apikalmeristem (welches Blätter und Spross produziert) wird in ein Infloreszenzmeristem umgewandelt.

• Aus diesem Infloreszenzmeristem entstehen anschließend die Blütenmeristeme (aus denen sich die einzelnen Blütenstrukturen wie Kelch-, Kron-, Staub- und Fruchtblätter entwickeln), Hochblätter sowie weitere Infloreszenzmeristeme.

• Photoperiode (Tageslänge).

• Temperatur.

• Vernalisation (ein längerer Kältereiz).

• Alter der Pflanze.

• Pflanzenhormone.

• Die Photoperiode (Tageslänge) ist an einem bestimmten Standort über das Jahr hinweg immer exakt gleich und verlässlich.

• Die Temperatur hingegen kann täglich und jährlich massiv schwanken, weswegen die Photoperiode ein deutlich präziserer und verlässlicherer Indikator zur Bestimmung der korrekten Jahreszeit ist

• Man wäre lieber eine Langtagpflanze.

• In den skandinavischen Sommern (der pflanzlichen Wachstumszeit) sind die Tage extrem lang und die Nächte kurz. Eine Kurztagpflanze würde ihr Signal (kurze Tage) nicht bekommen und nicht blühen.

• Pflanzen können sehr geringe Unterschiede von nur 15 Minuten (0,25 Stunden) in der Tageslänge wahrnehmen, um ihre Blütezeit darauf abzustimmen.

• Die Tageslänge wird in den Blättern gemessen.

• Dies lässt sich durch Pfropf-Experimente ("Grafting") beweisen: Pfropft man das Blatt einer Pflanze, die sich im artgerechten Licht-Zyklus (z.B. Langtag) befand, auf eine Pflanze im nicht-induzierenden Kurztag, fängt diese an zu blühen.

• Da das Signal (die Photoperiode) im Blatt gemessen wird, die Blüte aber am Apikalmeristem gebildet wird, muss ein mobiles Signal vom Blatt durch die Pflanze (ins Phloem) transportiert werden.

• Dieses mobile Signal, welches das Meristem umprogrammiert, bezeichnet man als Florigen.

• Sanduhrmodell:

  • Ein lineares Ablaufen eines Timers während der Lichtphase.

• Externes Koinzidenzmodell (Zutreffender):

  • Die Messung erfolgt durch das Zusammentreffen (Koinzidenz) eines externen Lichtsignals mit einem durch die innere Uhr festgelegten sensiblen Zeitfenster

• Sanduhrmodell:

  • Das Licht startet einen Timer (wie eine umgedrehte Sanduhr), der einfach abläuft.

  • Erreicht er einen bestimmten Wert, blüht die Pflanze. Dieses Modell kann jedoch den "Night-Break-Effekt" (ein kurzer Lichtblitz in der Nacht stört die Blüte von Kurztagpflanzen) nicht erklären.

• Externes Koinzidenzmodell:

  • Die Pflanze besitzt eine innere Uhr (~24 h), die kontinuierlich läuft und bestimmte Rhythmen ("Zeitfenster") erschafft.

  • Eine Reaktion wird nur dann ausgelöst, wenn ein externes Signal (wie Licht) exakt in so ein internes, empfindliches Zeitfenster fällt.

• Die innere Uhr steuert die Bildung der mRNA für den Transkriptionsfaktor CO (CONSTANS).

• Das Maximum dieser CO-mRNA wird am späten Nachmittag / in der zweiten Tageshälfte erreicht.

• An langen Tagen fällt genau in dieses CO-Maximum noch Sonnenlicht (Koinzidenz).

• Das Licht sorgt dafür, dass das gebildete CO-Protein stabilisiert wird. Das stabile CO-Protein aktiviert dann die Expression des Florigen-Gens FT, wodurch die Pflanze blüht.

• Das einfallende Licht aktiviert pflanzliche Photorezeptoren wie Phytochrom A (phyA) und Cryptochrome (cry).

• Diese aktiven Photorezeptoren verhindern die Ubiquitinierung und den nachfolgenden Abbau des CO-Proteins im Proteasom, sodass es stabil bleibt und agieren kann.

• Das System nutzt ähnliche Proteine (CO heißt hier Hd1, FT heißt Hd3).

• Der große Unterschied: Fällt Licht in das Zeitfenster maximaler CO-Expression, wirkt das CO-Protein in Kurztagpflanzen als Hemmer (Repressor) der FT-Expression,.

• Nur im Kurztag, wenn das Maximum der CO-Menge in die Dunkelheit fällt, bleibt diese Hemmung aus, FT wird produziert und die Pflanze blüht,.

• Neben der Blütenbildung wird zum Beispiel auch die Ausbildung von Speicherorganen wie Kartoffelknollen stark durch die Photoperiode gesteuert.

• Innere Uhr:

  • Ein interner, autonomer Rhythmus, der fortlaufend (ca. alle 24h) stattfindet und sogar ohne externe Lichtreize (z.B. im Dauerdunkel) weiterläuft ("freilaufend"),.

• Tag/Nacht-Rhythmus:

  • Externe Umweltsignale (Licht/Dunkelheit), die in der Regel auf die Pflanze einwirken, Reaktionen direkt bedingen können oder dazu dienen, die innere Uhr jeden Tag neu zu justieren (synchronisieren),.

• Vorteile:

  • Durch die innere Uhr kann die Pflanze regelmäßige Ereignisse (wie den Sonnenaufgang oder Jahreszeiten) antizipieren (vorhersagen).

  • So kann sie ihren Stoffwechsel schon proaktiv vorbereiten (z.B. Enzyme für die Photosynthese im Voraus produzieren), anstatt passiv reagieren zu müssen,.

• Kontrollierte Prozesse:

  • Genexpression, intrazelluläre Kalziumlevel, Proteinphosphorylierung, Chloroplastenbewegung, das Öffnen der Spaltöffnungen (Stomata), die Hypokotyllänge, Blatt- und Keimblattbewegungen, das Öffnen der Blütenblätter (Petalen) sowie der Blühzeitpunkt.