Daniel Gottsleben/Wolfgang Ruppert

Zeit zu blühen

Wiese mit Löwenzahn im Frühling.
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Daniel Gottsleben/Wolfgang Ruppert

Die Blütenbildung bei Pflanzen als chronobiologischen Prozess begreifen

In den gemäßigten Zonen der Erde schwankt die Tageslänge und somit die Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von den Jahreszeiten. Für den reproduktiven Erfolg von Pflanzen ist es daher überlebenswichtig, dass sie den richtigen Zeitpunkt der Blütenbildung bestimmen können. Sie machen das mit einer Mischung aus Tageslängenmessung und circadianer Rhythmik.

Pflanzen messen die Tageslänge mithilfe von Phytochromen und Cryptochromen. Bezüglich der Blühinduktion werden Lang- und Kurztagpflanzen unterschieden. Langtagpflanzen blühen im Sommer, wenn die Tage länger als zwölf Stunden sind, während Kurztagpflanzen im Frühjahr oder Herbst blühen, wenn die Tage kürzer als zwölf Stunden sind. Aber über welche Mechanismen löst die Tageslänge das Blühen aus?
Erwin Bünning, einer der Pioniere der Pflanzenphysiologie, hatte bereits 1936 ein hypothetisches Modell vorgeschlagen, das sich inzwischen molekularbiologisch an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana einer Langtagpflanze bestätigt hat. Sein „Modell der externen Koinzidenz sah vor, dass die Blütenbildung von einem Rhythmus der inneren Uhr gesteuert wird, wobei ein Abschnitt dieses Rhythmus lichtempfindlich sei. Ob eine Pflanze blüht, hängt dann davon ab, ob sie während dieser lichtempfindlichen Phase Sonnenlicht ausgesetzt ist oder nicht.
Das von der inneren Uhr kontrollierte Gen heißt paradoxerweise CONSTANS (CO). Es wird etwa zwölf Stunden nach Tagesanbruch über die Nacht bis zum Morgengrauen exprimiert (Abb. 1 ). Die Konzentration der CO-mRNA zeigt einen circadianen Verlauf. Wie viel CO-Protein in den Zelle zu finden ist, hängt von der Tageslänge ab. An langen Tagen wird gebildetes CO-Protein durch den Lichteinfluss über Phytochrom A und Cryptochrom stabilisiert, während das Protein an kurzen Tagen ohne diesen Einfluss über das Proteasom wieder abgebaut wird. Es ist daher trotz vorhandener mRNA nicht nachweisbar.
Das CO-Protein ist ein Transkriptionsfaktor (Ruppert 2016 in UB 414), der die Expression weiterer Gene reguliert unter anderem auch FLOWERING LOCUS T (FT), dessen Protein als das lang gesuchte „Florigen gilt. Zusammen mit einem weiteren Transkriptionsfaktor (FD) wird eine Kaskade von Genen und Transkriptionsfaktoren in Gang gesetzt, die schließlich die Pflanze zum Blühen bringen (Hahn 2014 in UB 400).
Dieses Modell gilt für Langtagpflanzen. Bei Kurztagpflanzen kommen homologe Gene vor, die die gleichen diurnalen Expressionsmuster zeigen. Aber das CO-homologe Gen fungiert im Licht als Repressor und nur im Dunkeln als Transkriptionsfaktor des FT-homologen Gens. Das bedeutet, dass Kurztagpflanzen nicht die Länge des Tages, sondern der Nacht messen (Lagercrantz 2009).
Biologiedidaktische Bezüge
Das Thema ist geeignet, um eine Verknüpfung zwischen der Ökologie und Genetik herzustellen, jedoch muss das Material nicht chronologisch genutzt werden, sondern kann auch einzeln verwendet werden, da jeweils kurz in den Kontext eingeleitet wird.
Ziele
Ziele
Die Lernenden erhalten Einblicke in fundamentale Erkenntnisse zur umweltabhängigen Pflanzenentwicklung im chronobiologischen Kontext, die durch genregulatorische Prozesse gelenkt wird.
Lange Nächte und kurze Tage oder umgekehrt?
1. Unterrichtsabschnitt
Für einen methodisch-didaktischen Gang beginnend in der Ökologie startet die erste Unterrichtsphase mit der Thematisierung des Ökofaktors Licht anhand derMindmap „Bedeutung des Faktors Licht für Lebewesen im Klassenverband. Anschließend können die gesammelten Aspekte bspw. farblich nach pflanzlichem und tierischem Kontext kategorisiert und auch an geeigneter späterer Stelle im Rahmen der Ökologie aufgegriffen werden. Ausgehend von den pflanzlichen Bezügen wird zu Material 1 übergeleitet, um diese zu erweitern oder näher zu betrachten. Die SchülerInnen bearbeiten die Aufgaben 1 und 2 zunächst in Einzelarbeit. Je nach Verlauf...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 451 / 2020

Chronobiologie

Beitrag aus Zeitschrift Unterricht Biologie Unterricht (45-90 Min) Schuljahr 11-13