Die Samen einer Pflanze sind verhältnismäßig gut gegen schädliche Umwelteinflüsse geschützt, während ein Keimling sehr verletzlich ist. Deshalb müssen Pflanzen im frühen Entwicklungsstadium ihre Samenkeimung genau kontrollieren: In Zeitfenstern mit guten Bedingungen keimen sie sehr schnell, während sie bei ungünstigen Bedingungen die Samenkeimung wirksam unterdrücken. Das einfallende Licht, welches die Pflanzen durch Phytochrome, eine Gruppe von Fotorezeptoren, wahrnehmen, spielt dabei eine zentrale Rolle. Ein Team um Prof. Dr. Andreas Hiltbrunner, Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies,hat am Institut für Biologie II der Universität Freiburg anhand der Acker-Schmalwand den molekularen Mechanismus untersucht, über den Phytochrome die lichtabhängige Samenkeimung kontrollieren. Den Ergebnissen der Freiburger Forschenden zufolge unterdrücken die Proteine ERF55 und ERF58 das Keimen der Pflanze. Ihre Arbeit veröffentlichten die Biolog*innen nun in der Zeitschrift Nature Communications.

Proteine ERF55 und ERF58 interagieren mit den Phytochromen

Die Keimung von Samen ist ein entscheidender Schritt im Lebenszyklus von Pflanzen, der von den Phytohormonen Abscisinsäure und Gibberellin sowie von Phytochromen – den Fotorezeptoren in Pflanzen, die rotes Licht wahrnehmen – gesteuert wird. „In unserer Arbeit zeigen wir, dass die Proteine ERF55 und ERF58 mit den Phytochromen interagieren und so, je nach Lichtbedingungen, die Samenkeimung erlauben oder verhindern“, erklärt Hiltbrunner.

Die Forschenden ließen Samen der Acker-Schmalwand drei Tage lang in konstanter Dunkelheit und bestrahlten sie dann mit verschiedenen Lichtbedingungen. Dabei konnten die Biolog*innen zeigen, dass die Phytochrome in der Acker-Schmalwand die beiden Proteine ERF55 und ERF58 binden und dadurch deren Aktivität verhindern, wenn die Umweltbedingungen für das Keimen der Samen günstig sind. „Dazu passt, dass Samen von Pflanzen, die kein ERF55 und ERF58 haben, besser keimen als Samen mit ERF55 und ERF58“, so Hiltbrunner. ERF55 und ERF58 kontrollieren die Samenkeimung, indem sie die Menge der Phytohormone Abscisinsäure und Gibberellin beeinflussen. „Abscisinsäure verhindert die Samenkeimung und wir haben gesehen, dass Samen ohne ERF55 und ERF58 weniger Abscisinsäure haben und deshalb besser keimen. Damit können wir erstmalig zeigen, dass die Proteine ERF55 und ERF58 bei der Phytochrom-vermittelten Regulierung des Keimungsprozesses eine entscheidende Rolle spielen.“

Original publication:

Li, Z., Sheerin, D.J., von Roepenack-Lahaye, E., Stahl, M., Hiltbrunner, A. (2022): The phytochrome interacting proteins ERF55 and ERF58 repress light-induced seed germination in Arabidopsis thaliana. In: Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-022-29315-3