Phytochrome sind die Augen der Pflanzen. Sie ermöglichen es ihnen, Veränderungen in Farbe, Intensität und Qualität des Lichts zu erkennen, so dass die Pflanzen darauf reagieren und sich anpassen können.

“Sie kontrollieren alle Aspekte des Lebens einer Pflanze”, sagt Clark Lagarias, Professor für Biochemie an der University of California, Davis.

Phytochrome von Landpflanzen reagieren auf rotes Licht – Pflanzen absorbieren rotes und reflektieren grünes Licht, weshalb sie grün aussehen. Rotes Licht dringt nicht weit ins Wasser ein, und einigen Meeres- und Küstenalgen fehlen Phytochrom-Gene.

Anderen jedoch nicht. Lagarias und Kollegen untersuchten die Eigenschaften von Phytochromen verschiedener Algen und fanden heraus, dass Phytochrome von Algen im Gegensatz zu denen von Landpflanzen in der Lage sind, Licht im gesamten sichtbaren Spektrum wahrzunehmen – blau, grün, gelb, orange, rot und weit rot.

Diese breite spektrale Abdeckung hilft den Algen wahrscheinlich, das Licht im Ozean so gut wie möglich zu nutzen, sagt Lagarias, sei es durch die Anpassung ihrer Lichtsammelchemie an wechselnde Bedingungen oder durch das Auf- und Abtauchen in der Wassersäule, wenn sich die Lichtverhältnisse an der Oberfläche ändern.

Da verschiedene Lichtfarben in unterschiedliche Tiefen des Wassers eindringen, stehen Algen bei der Lichtsammlung vor Herausforderungen, die Landpflanzen nicht haben. Die neuen Forschungsergebnisse, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen, dass Algen diese Herausforderung meistern können.

‘Hin und wieder zurück’

Die Phytochrome selbst haben eine lange Evolutionsgeschichte und sind wahrscheinlich aus der Interaktion zwischen Sauerstoff und Bilinen entstanden, Pigmentmolekülen, die eng mit dem Chlorophyll und dem sauerstofftragenden Häm-Pigment im Hämoglobin verbunden sind, sagt Lagarias.

Die Urform scheint für rotes Licht empfindlich zu sein, ähnlich den Phytochromen moderner Landpflanzen. Aber zwischen dem Ursprung und heute durchliefen die Phytochrome eine Phase massiver Vielfalt, in der sie eine viel breitere Palette von Wellenlängen erkennen konnten.

“Es ist ein Molekül, das schon einmal da war und wieder zurück”, sagt Lagarias.

Die Entdeckungen helfen den Forschern, die Rolle des Lichts und der Reaktion auf Licht bei der Gestaltung der Ökologie besser zu verstehen, und bieten ein Modell dafür, wie lebende Zellen auf Licht reagieren. Sie könnten auch bei der Züchtung von Wasserpflanzen helfen, die von unterschiedlichen Lichtverhältnissen profitieren könnten.

Die Koautoren der Studie kommen von der UC Davis, der Rutgers University, dem Monterey Bay Aquarium Research Institute und dem Canadian Institute for Advanced Research. Die National Institutes of Health, die National Science Foundation, das US-Landwirtschaftsministerium, das Verteidigungsministerium, die Packard Foundation und die Gordon and Betty Moore Foundation stellten Mittel zur Verfügung.