Wenn es im Winter zu warm wird: Pflanzen erinnern sich an vergangene Temperaturen

Pflanzen nutzen Temperaturverläufe aus Tagen, Wochen und Monaten, um Jahreszeiten zu erkennen und ihre Blüte zu steuern.

Ein paar warme Tage im Februar – und plötzlich treiben Knospen aus. Doch für Pflanzen kann ein zu früher Start gefährlich werden: Kommt der Frost zurück, sind junge Blätter und Blüten schnell verloren. Deshalb verlassen sie sich nicht auf das Wetter von heute. Pflanzen erinnern sich an Temperaturen, die Tage, Wochen und sogar Monate zurückliegen. Verschiedene Gene reagieren dabei auf unterschiedlich lange Zeiträume. So entsteht eine Art biologisches Temperaturarchiv, das der Pflanze hilft zu erkennen, ob nur ein kurzes Wärmehoch vorbeizieht oder ob tatsächlich eine neue Jahreszeit beginnt.

Forscher der University of Tsukuba haben untersucht, wie dieses System unter natürlichen Bedingungen funktioniert. Dafür begleiteten sie über zwei Jahre zwei mehrjährige Kreuzblütler in Japan: Wasabi (Eutrema japonicum) und Arabidopsis halleri. Sie verglichen die Aktivität bestimmter Blühgene mit den Temperaturen der vorangegangenen Tage, Wochen und Monate. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal PLOS ONE.

Pflanzen erinnern sich an Temperaturen unterschiedlich lange

Besonders auffällig waren drei Gene: VIN3, FLC und FT. Sie gehören zu einem Netzwerk, das den Zeitpunkt der Blüte mitsteuert. Ihre Aktivität hing jedoch mit sehr unterschiedlich langen Temperaturzeiträumen zusammen:

VIN3: vor allem mit den vergangenen vier bis sechs Tagen
FLC: mit etwa 13 bis 28 Tagen
FT: mit rund 104 bis 150 Tagen

Diese Werte stammen aus den Untersuchungen an Wasabi. Bei Arabidopsis halleri fanden die Forscher dasselbe Grundmuster: VIN3 reagierte auf kurze Zeiträume, FLC auf mehrere Wochen und FT auf mehrere Monate. Die University of Tsukuba spricht deshalb von einem eingebauten „Season-Meter“ – einer Art innerem Jahreszeitenmesser.

Ein Gen reagiert im Winter anders als im Frühling

Besonders deutlich wurde das beim Gen FLC. Es wirkt als Bremse für die Blüte und verändert seine Aktivität stark im Jahresverlauf. Dabei blieb selbst seine zeitliche Reichweite nicht konstant.

Im Frühling reagierte FLC stärker auf jüngere Temperaturverläufe. Im Herbst und Winter reichten die Zusammenhänge deutlich weiter zurück. Bei Wasabi lagen sie im Frühjahr bei etwa 14 bis 15 Tagen, im Herbst und Winter dagegen bei 68 bis 90 Tagen. Bei Arabidopsis halleri waren es im Frühling rund 29 bis 44 Tage und in den kälteren Jahreszeiten 57 bis 107 Tage.

Dieselbe Temperatur kann unterschiedliche Reaktionen auslösen

Wie sehr die Vorgeschichte zählt, zeigte ein weiteres Experiment. Die Forscher nahmen Pflanzen aus Winter und Frühling mit ähnlich hoher FLC-Aktivität und setzten sie denselben Temperaturen aus.

Bei 23 Grad blieb FLC in den Winterpflanzen weitgehend stabil. In den Frühlingspflanzen stieg die Aktivität dagegen etwa um das Zehnfache. Bei vier Grad fiel FLC in den Winterpflanzen rasch ab, während sich die Reaktion der Frühlingspflanzen deutlich verzögerte.

Die aktuelle Temperatur allein reicht also nicht aus, um die Genaktivität zu erklären. Entscheidend ist auch, was die Pflanze in den Wochen davor erlebt hat.

Frühere Temperaturen lassen sich zur Vorhersage nutzen

Die Forscher prüften anschließend, ob sich aus dieser Vorgeschichte die spätere Aktivität der Gene berechnen lässt. Dafür nutzten sie Wasabi-Daten aus den Jahren 2016 bis 2018 und entwickelten daraus ein Modell.

Getestet wurde es mit neuen Messungen aus den Jahren 2021 und 2022. Die vorhergesagten saisonalen Verläufe von VIN3, FLC und FT stimmten eng mit den tatsächlich gemessenen Werten überein. Laut Studie lagen die Korrelationen jeweils über 0,8. Lediglich einen starken Anstieg von FT im März erfasste das Modell nicht vollständig.

Wärmere Bedingungen verschieben die Blüte

Wie sich veränderte Umweltbedingungen auswirken können, untersuchten die Wissenschaftler außerdem mit verpflanztem Wasabi. Pflanzen aus dem kühleren Ikawa kamen nach Tsukuba. Dort war es über weite Teile des Jahres rund vier Grad wärmer.

Von den im September umgesetzten Pflanzen blühten 70 Prozent gar nicht. Die übrigen 30 Prozent blühten verspätet. Bei den im Oktober umgesetzten Pflanzen öffnete während des beobachteten Zeitraums keine einzige eine Blüte.

Allerdings unterschieden sich die Standorte nicht nur bei der Temperatur. Auch die Lichtverhältnisse waren verschieden. Deshalb lässt sich die veränderte Blüte nicht allein der höheren Temperatur zuschreiben.

Die Analyse erfasst zudem, über welchen Zeitraum frühere Temperaturen am stärksten mit heutiger Genaktivität zusammenhängen. Sie erklärt noch nicht vollständig, wie Pflanzen diese Information molekular speichern. Bei FT reichte der messbare Zusammenhang bis zur Obergrenze der Analyse von 150 Tagen. Die tatsächliche zeitliche Reichweite könnte noch größer sein.

Kurz zusammengefasst:

Pflanzen orientieren sich nicht nur an der aktuellen Temperatur: Bestimmte Gene verarbeiten auch Wärme- und Kälteverläufe aus vergangenen Tagen, Wochen und Monaten.
Bei Wasabi und Arabidopsis halleri reagieren die Blühgene VIN3, FLC und FT auf unterschiedlich lange Zeiträume – von wenigen Tagen bis mindestens 150 Tage.
Dieses Temperaturgedächtnis hilft Pflanzen, kurzfristige Wetterwechsel von echten saisonalen Veränderungen zu unterscheiden und den Zeitpunkt der Blüte besser anzupassen.

Übrigens: Wie stark Pflanzen auf Temperatur reagieren, lässt sich in den Alpen schon heute beobachten – dort beginnt das Wachstum im Schnitt rund sechs Tage früher als noch vor 25 Jahren. Welche Folgen der verfrühte Bergfrühling für Pflanzen, Almen und ganze Ökosysteme hat, mehr dazu in unserem Artikel.

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