Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IMEVon der Wild- zur Nutzpflanze: Den Blühzeitpunkt gezielt steuern
T. koksaghyz ist eine diploide, mehrjährige Wildpflanze aus der Familie der Asteraceae. Sie liefert hochwertigen Naturkautschuk sowie weitere wertvolle Inhaltsstoffe wie Inulin und Triterpene. Da sie in gemäßigten Regionen wächst und auch auf nährstoffarmen Böden gedeiht, stellt sie eine umweltfreundliche Alternative zum tropischen Kautschukbaum (Hevea brasiliensis) dar. Für die Züchtung bedeutet jedoch die ausgeprägte Vernalisationsabhängigkeit vieler Genotypen ein erhebliches Hindernis: Die Pflanzen benötigen häufig eine längere Kälteexposition, um eine synchrone und kräftige Blüte zu entwickeln – eine Voraussetzung für eine effiziente Samenproduktion. Ein vertieftes Verständnis der exogenen und endogenen Faktoren, die den Übergang von der vegetativen zur generativen Phase steuern, ist daher essenziell. Ziel der Forschenden ist es, vernalisationsunabhängige Pflanzen zu entwickeln, die kürzere Lebenszyklen aufweisen und eine verlässlichere Samenproduktion ermöglichen. Damit könnte ein bedeutender Beitrag zur Deckung des weltweit steigenden Bedarfs an Naturkautschuk geleistet werden.
Drei FT-Gene als zentrale Blütenaktivatoren im Löwenzahn
Die genetischen Netzwerke der Blühinduktion in der einjährigen Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurden intensiv untersucht. Andere Arten zeigen jedoch teilweise deutliche Abweichungen von diesem Modell. Das FT-Protein scheint jedoch über viele Arten hinweg ein zentraler Regulator zu sein. Es integriert verschiedene äußere und innere Signale – wie Temperatur, Tageslänge oder Alter – und kontrolliert so den Blühzeitpunkt.
In T. koksaghyz steuern mindestens drei hierarchisch zusammenwirkende genetische Loci die Kälteabhängigkeit der Blühinduktion – ein Hinweis auf die komplexe Architektur des zugrunde liegenden genetischen Netzwerks. Um diese komplexen Zusammenhänge zu entschlüsseln, arbeiten Forschende des Fraunhofer IME und der Universität Münster eng zusammen. Die Kooperation verbindet molekulare Grundlagenforschung und angewandte Pflanzenbiotechnologie, um gemeinsam neue Genotypen und Züchtungsansätze zu entwickeln.
Im Rahmen der gemeinsamen Forschungsaktivitäten wurden drei FT-Gene (TkFT1–3) im Löwenzahn identifiziert, deren Schlüsselrolle in der Blühzeitpunktkontrolle bestätigt wurde: Vernalisation und Tageslänge wirken hier in einem »photothermalen« Zusammenspiel, das die Blütenbildung maßgeblich beeinflusst. Wird die Aktivität der TkFT-Gene experimentell erhöht, blühen eigentlich kälteabhängige Pflanzen auch ohne Kälteexposition. In der nahe verwandten, nicht kälteabhängigen Art T. brevicorniculatum führt ihre Überexpression zu einer verfrühten Blüte. Damit ist klar: Die drei TkFT-Proteine sind potente Blütenaktivatoren.
Besonders aufschlussreich ist jedoch ihr differenziertes Expressionsmuster: Unter warmen Bedingungen werden TkFT1 und TkFT2 vor allem bei langen Tagen aktiviert – ein klassisches Signal für die Einleitung der Blüte in gemäßigten Breiten. Dabei reagiert TkFT1 stark auf Temperatur: Während der Kältephase wird seine Expression vollständig unterdrückt und steigt erst danach wieder an, allerdings nur in kälteunabhängigen Genotypen. TkFT3 hingegen folgt einer anderen regulatorischen Logik. Dieses Gen wird ausschließlich während der Kälteexposition aktiviert und nach deren Ende wieder abgeschaltet. Ein derart strikt winteraktives FT-Signal wurde in krautigen Pflanzen zuvor nicht beschrieben. Die zeitlich begrenzte Aktivierung deutet darauf hin, dass TkFT3 nicht unmittelbar die Blütenbildung auslöst, sondern zunächst die sogenannte Blühkompetenz aufbaut. Das ist die Fähigkeit des Sprossmeristems, nach dem Winter unter geeigneten Bedingungen in die generative Entwicklung überzugehen.
In mehrjährigen Pflanzen ist die Blühkontrolle besonders komplex, da sie Jahr für Jahr zwischen vegetativem Wachstum und reproduktiven Phasen wechseln müssen. Im Gegensatz zu einjährigen Arten dürfen sie nicht sämtliche Meristeme dauerhaft in die Reproduktion überführen, sondern müssen einen Teil vegetativ erhalten, um in den Folgejahren erneut wachsen und blühen zu können. Die funktionelle Differenzierung der drei FT-Gene deutet darauf hin, dass T. koksaghyz hierfür eine vom Arabidopsis-Modell abweichende regulatorische Strategie entwickelte: TkFT3 vermittelt das kältespezifische, blühkompetenzvermittelnde Signal in vernalisationsabhängigen Genotypen, während TkFT1 unter geeigneten Temperatur- und Tageslängenbedingungen die Blühinduktion in vernalisationsunabhängigen Genotypen vorantreibt.
Relevanz für Züchtung und Saatgutproduktion
Die Ergebnisse dieses Gemeinschaftsprojekts liefern wertvolle Einblicke in mögliche Mechanismen der kälteabhängigen Kontrolle des Blühzeitpunkts in mehrjährigen Pflanzen. Zugleich liefern sie konkrete Ansatzpunkte für die Züchtung: Wenn sich die Aktivität einzelner FT-Gene gezielt modulieren lässt, könnten künftig gezielt Genotypen identifiziert bzw. erzeugt werden, die weniger stark von einer Kältephase abhängig sind. Das würde die Saatgutproduktion beschleunigen, Züchtungszyklen verkürzen und die Etablierung von T. koksaghyz als nachhaltiger Nutzpflanze entscheidend voranbringen – ein wichtiger Schritt zur Diversifizierung der globalen Naturkautschukversorgung.
