Pflanzen wachsen nicht einfach vor sich hin. Sie reagieren kontinuierlich auf ihre Umwelt und besonders auf Licht. Denn ihr Wachstum und ihre Ausrichtung entscheiden darüber, wie viel Sonnenlicht sie für die Photosynthese einfangen und in Energie umwandeln können. Eine neue Studie mit Beteiligung von Forscher:innen des Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW)zeigt nun, wie zwei zentrale Bestandteile des Lichtspektrums das Wachstum von Pflanzen beeinflussen: Blaues und rotes Licht wirken als Gegenspieler und bestimmen gemeinsam, wie sich Pflanzen ausrichten.

Im Fokus der Forschung steht das Lebermoos Marchantia polymorpha, ein Vertreter einer Gruppe der ältesten Landpflanzen. Anhand dieses Modells konnten die Forschenden zeigen, wie Pflanzen Lichtsignale verarbeiten, um ihre Form und Orientierung zu kontrollieren. „Begonnen hat das Ganze mit sehr einfachen Experimenten, in denen ich meine Modellpflanze unter verschiedenen monochromatischen Lichtbedingungen wachsen ließ“, erklärt Johannes Rötzer vom GMI. „Dabei wurde schnell klar, dass rotes und blaues Licht zwei Extremformen des Wachstums hervorrufen, die sich in weißem Licht – das sowohl blaues als auch rotes Licht enthält – gegenseitig ausbalancieren.“

Pflanzen nutzen ihre „Augen“

Die Ergebnisse zeigen ein klares Bild: Blaues Licht lässt die Pflanze nach oben wachsen, rotes Licht bewirkt das Gegenteil. Treffen beide Lichtfarben zusammen – wie im natürlichen weißen Licht – entsteht ein Gleichgewicht. Die Pflanze wächst flach und optimal ausgerichtet. Möglich machen das spezialisierte Sensoren: Pflanzen „sehen“ ihre Umgebung über Lichtrezeptoren. „Pflanzen nehmen blaues Licht mit Blaulichtrezeptoren wahr und rotes Licht mit Rotlichtrezeptoren, genannt Phytochrome“, erklärt Liam Dolan vom GMI. „Mit diesen beiden Photorezeptoren als eine Art ‚Augen‘ können Lebermoose die unterschiedlichen Anteile von rotem und blauem Licht in ihrer Umgebung erfassen.“

Warum ist das wichtig? Weil sich das Verhältnis von rotem und blauem Licht je nach Umgebung verändert – etwa im Schatten unter anderen Pflanzen oder in der direkten Sonne. „Der Antagonismus, also der Gegensatz, trägt dazu bei, dass Pflanzen ihr Wachstum an die jeweiligen Umweltbedingungen anpassen können“, sagt Rötzer. „Beispielsweise unterscheidet sich im Schatten das Verhältnis von rotem zu blauem Licht von jenem in sonnigen, lichtexponierten Bereichen.“ Die Pflanze misst also ihr Lichtumfeld – und richtet ihr Wachstum danach aus. „Indem sie das Verhältnis der beiden Lichtfarben in ihrer Umgebung erfassen, passen sie ihre Wuchsrichtung genau an dieses Verhältnis an“, so Dolan.

Neben den Lichtrezeptoren fanden die Forschenden noch einen weiteren wichtigen Faktor im Lebermoos: sogenannte BBX-Proteine. Diese wirken im Inneren der Zelle als Schaltstellen und bestimmen, welche Gene aktiv sind. „Dabei stießen wir auf eine Klasse von Transkriptionsfaktoren, die sogenannten BBX-Proteine. Für einige dieser Proteine konnten wir eine bisher unentdeckte Rolle in der Wachstumsregulation nachweisen“, erklärt Rötzer. Auch hier zeigt sich das gleiche Prinzip: Zwei dieser Proteine wirken gegensätzlich – und sorgen erst im Zusammenspiel für die typische flache Form der Pflanze.

Bedeutung für Evolution und Landwirtschaft

Die Forschung gibt auch Einblicke in die evolutionäre Vergangenheit der Pflanzen. Denn ähnliche Mechanismen wurden nicht nur in Lebermoosen, sondern auch in weit entfernt verwandten Pflanzenarten beobachtet. Das deutet darauf hin, dass dieses System sehr früh in der Evolution entstanden ist. Der Ursprung könnte laut Dolan mehr als 500 Millionen Jahre zurückreichen – in eine Zeit, als Pflanzen erstmals das Land besiedelten und begannen, ihre Umwelt aktiv wahrzunehmen und darauf zu reagieren.

Der womöglich uralte Mechanismus spielt eine zentrale Rolle für die heutige Praxis: Gerade in der modernen Landwirtschaft, in der Pflanzen oft dicht gepflanzt werden, spielt die Ausrichtung von Pflanzen eine zentrale Rolle. Denn sie beeinflusst direkt, wie effizient Pflanzen Sonnenlicht für die Photosynthese nutzen können. „Der Winkel, den diese flachen, photosynthetisch aktiven Strukturen zur Sonne einnehmen, ist entscheidend für ihre Effizienz“, erklärt Dolan. Schon kleine Veränderungen können große Auswirkungen auf den Ertrag haben: „Allein durch eine Veränderung dieses Winkels lässt sich die Effizienz steigern.“

Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen könnte helfen, Nutzpflanzen besser anzupflanzen – etwa auch im Zuge des Klimawandels, wenn sich Vegetation, Bewölkung oder Standorte von Pflanzen verschieben. Auch Rötzer sieht hier Potenzial: „Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung liefern somit eine wichtige Basis, um Kulturpflanzen gezielt an neue Umweltbedingungen anzupassen, ihre Effizienz zu steigern und ihre Widerstandsfähigkeit zu verbessern.“