Frauenhaarfarn

Vom feuchten Felsen in eine einzelne Zelle

Die hellgrünen Fiederchen des Frauenhaarfarns sitzen auf auffallend dünnen, dunklen Stielen. Ihre fächerartig gelappten Flächen hängen an einem mehrfach gefiederten Wedel. An dessen Rändern liegen die Sporenlager unter umgebogenen Randlappen. Die ausdauernde Art wächst unter anderem an feuchten Kalk- und Tuffelsen, Quellen und Wasserfällen.

Für Versuche zur Lichtwahrnehmung werden nicht diese großen Wedel benötigt, sondern die Vorkeime des Farns: kleine grüne Gametophyten, die eine andere Generation im Lebenszyklus darstellen. In einer Untersuchung von 2011 waren sie nur zwei bis drei Millimeter breit. Ihre flachen Zellen erlaubten es, die Position vieler Chloroplasten zu verfolgen. Diese grünen Zellorganellen betreiben Photosynthese und können ihren Platz innerhalb der Zelle verändern.

Ein Lichtfleck und eine beleuchtete Zelle sind nicht dasselbe

Nach drei Tagen Dunkelheit saßen die Chloroplasten vor allem an den seitlichen Zellwänden. Rotes Licht von oben brachte sie beim unveränderten Farn an die große Zellfläche, die dem Licht zugewandt war. Kam das Licht seitlich, sammelten sie sich dagegen an der beleuchteten Seitenwand. Für diese gerichtete Antwort ist der Lichtrezeptor Neochrome1 wichtig.

Forschende verglichen den normalen Farn mit vier Mutanten dieses Rezeptors. Trotz der Veränderung konnten sich deren Chloroplasten unter rotem Licht noch aus der Dunkelposition verlagern. Die Richtung stimmte allerdings nicht mehr mit der Lichtquelle überein: Auch bei seitlicher Beleuchtung wanderten sie an die große flache Zellfläche. Ein nur zwanzig Mikrometer breiter Lichtfleck löste bei der untersuchten Mutante keine entsprechende Ansammlung aus; Beleuchtung der ganzen Zelle schon. Ihre Antwort verlief zudem langsamer. Eine Bewegung nach Beleuchtung ist folglich noch kein Beleg dafür, dass die Zelle deren Richtung auswertet.

Zucker kann die Dunkelposition lösen

Um den zweiten Weg zu prüfen, hemmte das Team die Photosynthese. Dadurch blieb die ungerichtete Verlagerung bei der Mutante aus. Der normale Farn konnte seine Chloroplasten unter denselben Hemmstoffen weiterhin zur beleuchteten Zellseite bewegen. Die beiden Reaktionen ließen sich also experimentell voneinander trennen.

Dann wurde Zucker zum Nährmedium gegeben. Mit Saccharose oder Glucose verließen Chloroplasten sogar im Dunkeln teilweise ihre seitliche Position und wanderten an die flache Zellwand. Der Vergleichsstoff Mannitol löste diese Reaktion nicht aus. Saccharose konnte bei der Mutante außerdem die Wirkung eines Photosynthesehemmstoffs auf die Verlagerung überbrücken.

Die Forschenden deuteten die Photosyntheseprodukte deshalb eher als Signal, die Dunkelposition aufzugeben, denn als bloßen Treibstoff für die Bewegung. Schließlich blieb die gerichtete Bewegung im normalen Farn auch bei gehemmter Photosynthese möglich. Welcher nachgeschaltete Sensor den Zuckerzustand in eine neue Position übersetzt, war damit noch nicht bestimmt. Sichtbar wurde vielmehr, dass eine Zelle Reizrichtung und Stoffwechselzustand getrennt verarbeiten kann, obwohl beides zunächst durch dasselbe Licht verändert wird.