Zeit der Ruhe bei Pfanzen

„Quieszenz ist ein kurzfristiger Pausenmodus der Stammzellen im Meristem, so etwas wie ein Powernap“, erklärt die Pflanzenbiologin. „Die Zellen teilen sich kaum, bleiben aber jederzeit bereit, schnell wieder aktiv zu werden.“ Es handelt sich um einen gesteuerten Ruhezustand, der vor allem durch Signale innerhalb der Pflanze ausgelöst wird. Der Entwicklungsstand der Pflanze und ihre verfügbaren Ressourcen spielen eine wichtige Rolle, so Stahl. Besondere Umweltfaktoren wie extreme Hitze, Trockenheit oder andere Stresssituationen können diese inneren Systeme ebenfalls beeinflussen und den Eintritt in Quieszenz fördern. Quieszenz kann zu jeder Jahreszeit auftreten, und sorgt dafür, dass das Meristem in Bereitschaft bleibt, bis die Bedingungen wieder optimal sind.

Der Dornröschenschlaf

Während die Quieszenz auf der Ebene einzelner Stammzellen stattfindet, beschreibt Dormanz einen Ruhezustand, der ein ganzes Gewebe umfasst – bestehend aus vielen Zellen. Dormanz wird vor allem durch äußere Faktoren wie Tageslichtdauer, Temperatur oder Nährstoffverfügbarkeit ausgelöst. Sie tritt über längere Perioden ein, etwa während der Winterruhe oder bei einer Trockenperiode. Quieszenz und Dormanz schließen sich nicht aus, sondern können gleichzeitig auftreten: Während eine Knospe im Winter in Dormanz verharrt, können Stammzellen in ihrem Meristem zugleich quieszent sein, etwa wenn ihnen durch Frost oder Trockenheit Wasser fehlt. Da sie jedoch ihre eigene Steuerung haben, können sie unabhängig vom umgebenden Gewebe auch schnell wieder aktiv werden. „Die Dormanz ist tiefer und langanhaltender, wie ein Dornröschenschlaf, und braucht stärkere Umweltreize zum Aufwachen – wenn auch nicht den Kuss vom Märchenprinzen“, beschreibt Stahl.

Aktive Regulierung

Die Arbeitsgruppe von Yvonne Stahl hat Studien aus den Bereichen der Molekularbiologie, Entwicklungsbiologie und Umweltphysiologie ausgewertet, um zu untersuchen, wie die Ruhephasen der Pflanzen reguliert werden. Das Ergebnis: Quieszenz und Dormanz werden aktiv kontrolliert. In den Meristemen, den Wachstumszentren der Pflanze, sorgen gezielte molekulare Mechanismen dafür, dass Stammzellen entweder eine Pause einlegen oder wieder aktiv werden. Stahl beschreibt, wie etwa in der Wurzel ein Protein namens WOX5 beim Eintreten der Quieszenz eine Schlüsselrolle übernimmt: Es wirkt wie ein Bremspedal, indem es andere Gene so reguliert, dass die Zellteilung gestoppt wird. Unterstützt wird WOX5 von weiteren Proteinen, die auch an der Regulierung beteiligt sind.

Bei der Dormanz, so erklärt Ali Eljebbawi – Postdoktorand in der Arbeitsgruppe Stahl – kommt ein weiterer Mechanismus hinzu: Die Zellen und damit ihre Kommunikation untereinander werden blockiert, wie eine Art „Türverriegelung“. Zum Einsatz kommt hier etwa Callose, ein Polysaccharid (Mehrfachzucker), das pflanzlichen Zellen in verschiedensten Situationen als Verschlussmaterial dient. Erst wenn spezielle Enzyme – wie die beta-1,3-Glucanasen – dieses Schloss wieder aufdrehen, indem sie die Callose abbauen, können Signale und Nährstoffe wieder fließen und das Wachstum setzt erneut ein.

Der Klimawandel stört den Rhythmus

Die inneren Ruhemechanismen einer Pflanze sind vor allem bei der Dormanz fein auf Jahreszeiten und Umweltbedingungen abgestimmt. Doch dieser Rhythmus gerät zunehmend ins Wanken. Wenn Winter milder werden, verändert das die empfindliche Balance der Dormanz. Zwar sorgt die Kälte des Herbstes zunächst dafür, dass die Knospen in Dormanz gehen und dort verharren. Doch braucht es ebenfalls eine bestimmte Menge an Kältereizen über den Winter, damit diese Ruhephase im Frühjahr passend beendet werden kann. Bleiben die Kältereize aus, finden viele Pflanzen den richtigen Zeitpunkt für die Aufhebung der Ruhephase nicht – sie treiben dann verspätet oder unvollständig aus. Andere Arten hingegen reagieren schon auf kurze Wärmeperioden: Ihre Dormanz wird aufgehoben und sie werden früh aktiv . „Pflanzen könnten dadurch Schaden nehmen, wenn im Frühjahr noch Fröste auftreten“, warnt die Biologin Yvonne Stahl. Die empfindlichen Meristeme reagieren besonders sensibel auf Klimaveränderungen und es kommt dort zu Fehlsteuerungen. Dass dies kein theoretisches Szenario ist, zeigt sich bereits: „In den letzten Jahren haben wir in Europa mehrfach erlebt, dass Obstbäume nach einer warmen Periode schon im Februar zu blühen beginnen – nur um wenige Wochen später von Frost getroffen zu werden“, berichtet Ali Eljebbawi. „Diese Blüten entwickeln sich dann nicht zu Früchten – die Pflanze hat ihre Energie zum falschen Zeitpunkt eingesetzt.“

Ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen hinter Quieszenz und Dormanz könnte helfen, vorherzusagen, welche Arten besonders gefährdet sind – und vielleicht Wege eröffnen, sie widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen. Von der Stammzelle über das Gewebe bis zum ganzen Baum folgen Pflanzen einer klaren Taktung. Sie leben nach Rhythmen, die mal in Monaten, mal in Stunden schlagen – stets in Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Ein anschauliches Beispiel dafür ist auch der Tagesrhythmus unserer heimischen Bäume während der Wachstumsperiode.

Ruhelos durch die Nacht

Bäume nutzen Tag und Nacht für ganz unterschiedliche Zwecke. Roman Zweifel, Wald- und Bodenökologe, hat herausgefunden, dass Bäumen vor allem im Sommer kaum Zeit zur Ruhe bleibt: „Tagsüber finden sehr viele physiologische Prozesse statt, wie zum Beispiel die Fotosynthese – die Aufnahme von CO₂ aus der Luft und dessen Umwandlung in Zucker“, erklärt Zweifel. Doch das Wachstum der Bäume findet in der Nacht statt. Denn es ist eng an den Wasserhaushalt des Baumes gekoppelt. Tagsüber verlieren Bäume durch Transpiration – eine Art Schwitzen über die Blätter – mehr Wasser, als sie gleichzeitig über die Wurzeln aufnehmen können. Es entsteht ein Wasserdefizit, das einen Unterdruck im Gewebe erzeugt und so die Zellteilung und -streckung hemmt. „Nachts gleicht sich dieses Wasserdefizit wieder aus – und erst dann kann der Baum wachsen“, sagt der Waldökologe.

Für unsere heimischen Baumarten bedeutet das: In den Sommermonaten ist weder Zeit für einen entspannten Mittagsschlaf noch für eine nächtliche Ruhepause – stattdessen herrscht ein fein getakteter Wechsel zwischen Energieaufnahme und Wachstum.

Die besondere Winterruhe arktischer Pflanzen

In den arktischen Regionen gibt es keinen kurzen Tag-Nacht-Rhythmus, wie wir ihn kennen. Dort gibt es nur zwei lange Phasen: Monate voller Licht wechseln sich mit Monaten völliger Dunkelheit ab. Pflanzen können hier weder kurzfristig zwischen Energieaufnahme und Wachstum wechseln noch in der Phase des Lichts irgendwelche Pausen einlegen. Sie müssen das kurze Sommerfenster maximal ausnutzen. Im Frühling legen sie los wie Sprinter beim Startschuss, schöpfen über den arktischen Sommer jede Minute Sonnenlicht aus und betreiben beinahe rund um die Uhr Fotosynthese – während sie die gewonnene Energie zugleich direkt ins Wachstum stecken. Der Winter hingegen stellt sie vor ganz andere Herausforderungen: monatelang Dunkelheit, Temperaturen von minus 20 bis minus 30 Grad, meterhoher Schnee und gefrorener Boden. Um das zu überstehen, greifen arktische Arten auf Strategien zurück, die auch Pflanzen in unseren Breiten nutzen – nur unter deutlich extremeren Bedingungen. Sobald die Tage kürzer und kälter werden, fahren sie ihre Lebensfunktionen nach und nach herunter und wechseln in eine Art biologischen Stand-by-Modus. Während dieser Phase kommt die Fotosynthese vollständig zum Erliegen, das Wachstum stoppt, der Stoffwechsel wird stark verlangsamt. Gleichzeitig aktivieren die Pflanzen verschiedene Frostschutzmechanismen: Sie reichern Zuckerverbindungen und andere Substanzen an, verändern die Zusammensetzung ihrer Zellmembranen und bilden Proteine, die vor Eiskristallbildung schützen.

Der Schnee, der die Pflanzen bedeckt, ist für sie kein Feind – sondern überlebenswichtig. Er wirkt wie eine isolierende Decke: Während darüber Minusgrade herrschen, ist es direkt an der Bodenoberfläche häufig konstant um den Gefrierpunkt – eine Temperatur, mit der viele Pflanzen erstaunlich gut zurechtkommen. Dieses Prinzip gilt nicht nur in der Arktis, sondern auch bei uns, etwa im Gebirge, wo eine schützende Schneeschicht alpine Pflanzen sicher durch den Winter bringt.

Im Rhythmus der Natur

„In der Ruhe liegt die Kraft“ gilt bei Pflanzen gleich doppelt: Sie nutzen Pausen, um sich auf kommende Wachstumsperioden vorzubereiten und ihre empfindlichen Stammzellen zu schützen. Ob winzige Meristeme oder Knospen, die durch Quieszenz und Dormanz gesteuert werden, heimische Bäume, die zwischen Tag und Nacht präzise takten, oder arktische Pflanzen, die monatelang stillhalten, um dann in einem kurzen Sommer zu explodieren: Alle folgen einem Rhythmus, der perfekt an ihre Umwelt angepasst ist. Der Blick auf diese Vielfalt zeigt, dass Pflanzen keine passiven Lebewesen sind, sondern hochkomplexe Organismen, die im Gleichklang mit den natürlichen Zyklen der Natur agieren – und deren Überleben von ihnen abhängig ist. //