Dazu werden neue Arbeitsplätze für Techniker und Wissenschaftler geschaffen. Bei den geplanten ökologischen Feldstudien werden gentechnisch veränderte Pflanzen freigesetzt, deren innere Uhr nicht mehr im Einklang mit dem natürlichen Tag/Nachtrhythmus funktioniert. Die Versuche werden ausschließlich in den USA durchgeführt. Im Vergleich mit nicht veränderten Pflanzen ist es so möglich herauszufinden, welche genetischen und physiologischen Vorgänge - von der Samenkeimung bis zur Samenreife - von der inneren Uhr abhängig sind, damit Pflanzen in der Wildnis bestehen können.
Das "ClockworkGreen"-Team (von links nach rechts): Michael Stitz, Susan Kutschbach, Emmanuel Gaquerel, Eva Rothe, Mario Kallenbach, Martin Schäfer, Felipe Yon, Meredith Schuman, Shuqing Xu, Christoph Brütting, Sang-Gyu Kim und Ian Baldwin.
(Foto: MPI für chemische Ökologie/Angela Overmeyer)
Ökologische Effizienz braucht zeitliche Koordination
Leben und Sterben an gegebenen Standorten hängt davon ab, ob ein Organismus zur richtigen Zeit das richtige tut, oder in anderen Worten: Zeiteinteilung ist maßgeblich für das Überleben in der Natur. Biologen gehen inzwischen davon aus, dass alle Lebensformen eine zelluläre, innere Uhr besitzen. Bei vielen verschiedenen Spezies aus dem Reich der Pilze, Insekten, Pflanzen und auch beim Menschen ist ihr molekularer Mechanismus bereits sehr gut verstanden und man nimmt an, dass die "circadian clock" eine optimale Anpassung der Organismen an die jeweils herrschenden Umweltbedingungen ermöglicht - jedoch wurde dies noch nie in der freien Natur über mehrere Vegetationsperioden hinaus gezeigt.
Primärproduzent Pflanze
In den meisten terrestrischen Nahrungsketten stehen die Pflanzen am Anfang. Sie fangen die Sonnenenergie ein und produzieren Zucker, Stärke, Eiweiße und Fette, von denen das Leben aller nicht-photosynthetisch aktiven Lebensformen abhängt - sei es der Pilz, der die Blätter befällt, oder das Kaninchen, das seine vegetarische Mahlzeit zu sich nimmt. Tagesrhythmen von Pflanzen sind sehr gut erforscht: Blattbewegungen, Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen und der photosynthetische Stoffwechsel werden durch die innere Uhr gesteuert. Auch Genexpression erfolgt in Pflanzen tagesrhythmisch - interessanterweise sind über 30% aller Pflanzengene (ein Pflanzengenom umfasst durchschnittlich 25000 Gene) unter tageszeitlicher Kontrolle. Die ökologische Bedeutung der meisten dieser Gene ist jedoch nicht bekannt. Welche Rolle spielen sie für Überleben und Fortpflanzung und wie entscheidend ist der tageszeitliche Verlauf ihrer Ausprägung?
Genau das soll im Projekt "Clockwork Green" herausgefunden werden. Transgene Tabakpflanzen werden zum Einsatz kommen, in denen die innere Uhr nicht mehr funktioniert, weil eines der vielen Uhren-Gene, beispielsweise NaTOC1, abgeschaltet wurde. Diese Pflanzen werden in ihrem natürlichen Biotop, dem Great Basin Desert in Utah, USA, freigesetzt, wo sie zusammen mit wildem, unverändertem Tabak aufwachsen. Untersucht werden alle Entwicklungsstufen: von der Samenkeimung bis zur Bildung neuer Samen in den Blüten. Hinzu kommt die Bestimmung verschiedener ökologischer Parameter, beispielsweise der Befallsdruck von Fraßfeinden, mikrobieller Pathogene und auch die Beobachtung des Verhaltens von Bestäubern. Parallel werden genetische und stoffwechselphysiologische Messungen an den "rhythmischen" und "arrhythmischen" Pflanzen vorgenommen. Auch werden transgene Pflanzen zum Einsatz kommen, bei denen die Arrhythmie erst nach Blatt-, Spross oder Blütenbildung mittels Zugabe des chemischen Induktors Dexamethasone hervorgerufen wird. Hier besteht eine gewisse Ähnlichkeit zu Stanley Kubricks Film Clockwork Orange, nur wird dort das abweichende Verhalten des Protagonisten durch Musik aus der 9. Sinfonie von Beethoven hervorgerufen, so Ian Baldwin.
Die Ergebnisse werden zeigen, welche Gene durch die innere Uhr gesteuert werden und welche Gene für ein optimales Gedeihen der Pflanze nötig sind. Denkbar ist, dass es verschiedene Gene sind, die je nach Lebensabschnitt (Samenkeimung - Blattentwicklung - Blütenbildung - Bestäubung Samenbildung) überlebenswichtige Funktionen übernehmen. Weil das "Timing" von Pflanzenwachstum auch in der Landwirtschaft eine große Rolle spielt - synchrone Keimung des Saatguts oder gleichmäßige Blüten- und Fruchtbildung beispielsweise bei Getreide, Mais oder Raps - könnte das Projekt auch aus Sicht der Pflanzenzüchtung und des Pflanzenschutzes
wichtige Ergebnisse liefern.