Germany
June 23, 2020
How do plants know when it is time to flower? Researchers at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) have studied this question and identified two genes that are key to this process. They were able to show that the ELF3 and GI genes control the internal clock of the plants that monitors the length of daylight and determine when it is the right time to flower. The findings could help to breed plants that are better adapted to their environments. The study was published in "The Plant Journal".
Plants also have an internal clock that prepares internal cellular mechanisms in anticipation of the upcoming environmental changes. This ensures that plants only perform specific tasks at the most suitable time of the day. For instance, during the day they carry out photosynthesis, extracting energy from sunlight. However, completely different processes occur at night when the sun is no longer shining. Many plants grow significantly more than during the day. So, in order to tell the difference between day and night, plants have special receptors in their cells that can sense sunlight and start and stop different processes as needed.
"Just like humans, plants also have a so-called circadian clock. This is a complex network of genes and proteins that enables plants to control different processes in relation to time so that their biorhythm is perfectly synchronised to the day-night cycle," explains Dr Usman Anwer from the Institute for Agricultural and Nutritional Sciences at MLU. Like humans, plants react to more than just external influences; the circadian clock regulates metabolism and other processes in the plant cells so that they take place at the right time throughout the day and year. That means plants are able to anticipate certain regularities in their environment, such as the alternation of day and night, and adjust accordingly. This also includes the ability by the plants to begin flowering at the right time. "Plant orient themselves to the ratio between the hours of sunlight and darkness. Some plants only flower when the days are particularly long. Others only flower when the nights exceed a certain length of time," explains the plant scientist. This is not surprising; after all, different plant species flower at different times of the year when the days have different lengths.
In this new study, the MLU researchers wanted to understand which genes control a plant’s internal clock, thereby influencing the flowering process. They did this by investigating two genes that were already known to play a crucial role in the circadian clock: ELF3 and GI. "These two genes have always been studied separately. Our goal was to understand how the two genes work together and how they jointly influence the circadian clock, for example by regulating when a plant flowers," says Anwer. The team investigated how the two genes functioned in the model plant, the thale cress, also known as the Arabidopsis thaliana. The scientists bred plants that had various genetic defects. In one group, the ELF3 gene was defective, in the second group it was the GI gene. In the third group, both genes were switched off. The researchers then observed how the plants reacted to different periods of light. They found that when one of the two genes was defective, the plants’ circadian clock still functioned on a rudimentary basis. When both genes were switched off, the plant no longer reacted at all. "The plants could still perceive the light, but they could no longer tell how long the light lasted. This explains why the mutants with the double gene defect produced flowers at the same time under different lengths of light period ," Answer concludes.
However, light is not the only external source of information for the circadian clock, says the researcher. The ambient temperature also changes during the course of the day and year. In a follow-up project, the scientists want to understand how temperature influences plant flowering and whether temperature can compensate for the lack of information about light. The findings could also be important for plant breeding. Most plants have adapted to their original environment in such a way that they require a specific ratio between hours of sunlight and darkness in order to flower. The new findings could allow plants to be bred that can also flower in other places and produce good yields.
About the study: Anwer U., Davis A., David S.J., Quint M. Photoperiod sensing of the circadian clock is controlled by EARLY FLOWERING 3 and GIGANTEA. The Plant Journal (2020). Doi: 10.1111/tpj.14604
Chronobiologie: Forscher beschreiben Gene, die Pflanzen sagen, wann sie blühen sollen
Woher wissen Pflanzen, wann es Zeit für die Blüte ist? Dieser Frage sind Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nachgegangen und haben zwei Gene ausgemacht, die dafür maßgeblich sind. Sie konnten zeigen, dass die Gene ELF3 und GI die innere Uhr der Pflanzen kontrollieren, die Dauer des Tageslichts überwachen und so zum Beispiel den richtigen Blütezeitpunkt bestimmen. Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, Pflanzen zu züchten, die besser an ihre Umgebung angepasst sind. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift "The Plant Journal" veröffentlicht.
Auch Pflanzen haben eine innere Uhr: Am Tag betreiben sie Photosynthese und gewinnen so Energie aus dem Sonnenlicht. Nachts, wenn die Sonne nicht scheint, laufen ganz andere Prozesse ab: Viele Pflanzen wachsen dann beispielsweise deutlich mehr als am Tag. Um zwischen Tag und Nacht unterscheiden zu können, haben Pflanzen in ihren Zellen spezielle Rezeptoren, die das Sonnenlicht wahrnehmen können und bei Bedarf verschiedene Prozesse starten oder stoppen können.
"Ähnlich wie Menschen verfügen Pflanzen zudem über eine sogenannte zirkadiane Uhr. Dabei handelt es sich um ein komplexes Netzwerk aus Genen und Proteinen, mit dem Pflanzen verschiedene Prozesse zeitlich so steuern können, dass ihr Biorhythmus perfekt an den Tag-Nacht-Zyklus angepasst ist", sagt Dr. Usman Anwer vom Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der MLU. Wie Menschen reagieren Pflanzen dabei nicht nur auf äußere Einflüsse, die zirkadiane Uhr taktet den Stoffwechsel und andere Prozesse in den Pflanzenzellen so, dass sie zeitlich passend über den Tag und das Jahr ablaufen. Das heißt, Pflanzen können bestimmte Regelmäßigkeiten, wie den Wechsel von Tag und Nacht auch vorhersehen und sich entsprechend darauf einstellen. Dazu gehört zum Beispiel auch die Fähigkeit, zum richtigen Zeitpunkt mit der Blütenbildung zu beginnen. "Pflanzen orientieren sich dafür am Verhältnis von Sonnen- und Nachstunden: Einige Pflanzen blühen nur, wenn die Tage besonders lang sind. Andere dagegen nur, wenn die Nächte eine gewisse Dauer überschreiten", erklärt der Pflanzenwissenschaftler. Das sei nicht verwunderlich, schließlich blühen verschiedene Pflanzenarten zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Jahr, an denen die Tage unterschiedlich lang sind.
Die Forscher der MLU wollten in der neuen Studie verstehen, welche Gene die innere Uhr der Pflanze steuern und so die Blüte beeinflussen können. Dafür untersuchten sie zwei Gene, von denen bereits bekannt war, dass sie entscheidend für die zirkadiane Uhr sind: ELF3 und GI. "Bisher wurden die beiden Gene immer nur einzeln betrachtet. Unser Ziel war zu verstehen, wie die beiden Gene zusammenarbeiten und wie sie gemeinsam auf die zirkadiane Uhr einwirken und so beispielsweise regulieren, wann eine Pflanze blüht", so Anwer. Das Team untersuchte die Funktionsweise der beiden Gene an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand. Dafür züchteten die Wissenschaftler Pflanzen, die verschiedene genetische Defekte hatten: In einer Gruppe war das ELF3-Gen defekt, in der zweiten das GI-Gen und in der dritten Gruppe waren beide Gene ausgeschaltet. Anschließend beobachteten die Forscher, wie die Pflanzen auf unterschiedliche Lichtdauern reagierten. Dabei zeigte sich, dass die zirkadiane Uhr der Pflanzen in Bezug auf die Lichtdauer noch rudimentär funktionierte, wenn nur eines der beiden Gene defekt war. Wurden beide Gene ausgeschaltet, reagierte die Pflanze gar nicht mehr. "Die Pflanzen konnten das Licht zwar noch wahrnehmen. Allerdings konnten sie nicht mehr die Länge der Lichtdauer erkennen. Deshalb bildeten die Mutanten mit dem doppelten Gendefekt zum Beispiel keine Blüten mehr", fasst Anwer zusammen.
Das Licht sei aber nicht die einzige externe Informationsquelle für die zirkadiane Uhr, so der Forscher. Im Tages- und Jahresverlauf verändert sich auch die Umgebungstemperatur. In einem Folgeprojekt wollen die Wissenschaftler nun klären, welche Rolle die Temperatur bei der Blüte von Pflanzen spielt und ob die Temperatur die fehlenden Lichtinformationen ausgleichen kann.
Die Erkenntnisse könnten auch für die Züchtung von Bedeutung sein: Die meisten Pflanzen sind an ihre jeweilige ursprüngliche Umgebung so angepasst, dass sie für die Blüte ein bestimmtes Verhältnis von Sonnen- und Nachtstunden benötigen. Mit den neuen Erkenntnissen ließen sich möglicherweise Pflanzen züchten, die auch an anderen Orten blühen und so gute Erträge liefern könnten.
Über die Studie: Anwer U., Davis A., David S.J., Quint M. Photoperiod sensing of the circadian clock is controlled by EARLY FLOWERING 3 and GIGANTEA. The Plant Journal (2020). Doi: 10.1111/tpj.14604
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