Gewöhnliche Sonnenblume

Der Trieb biegt sich, weil seine Seiten verschieden wachsen

Ein junger Sonnenblumentrieb kann morgens nach Osten und abends nach Westen zeigen. Das gelingt durch ungleiche Längenzunahme: Tagsüber wächst die Ostseite des Stängels stärker, wodurch sich der obere Bereich nach Westen neigt. Nachts überwiegt das Wachstum auf der Westseite, und die Spitze kehrt nach Osten zurück. Der bereits geöffnete Kopf wird folglich nicht von einem drehbaren Gelenk um seine Achse bewegt.

Solches Wachstum lässt sich messen. In Experimenten markierte ein Forschungsteam die Stängel mit Punkten und verfolgte im Zeitraffer, wie sich deren Abstände auf den beiden Seiten veränderten. Damit wurde die sichtbare Richtungsänderung auf die unterschiedliche Ausdehnung der Gewebe zurückgeführt. Für die Bewegung braucht die Pflanze fortgesetztes Wachstum, nicht nur einen bereits vorhandenen Blütenkopf.

Die Rückkehr in der Dunkelheit stellt eine weitere Frage: Ohne sichtbare Sonne kann sie nicht einfach der aktuellen Lichtquelle folgen. Hier kommt eine innere Tagesuhr ins Spiel. Sie verknüpft wiederkehrende Tageszeiten mit der Wachstumsbereitschaft der beiden Stängelseiten.

Eine Uhr erkennt man daran, dass sie ohne Sonnenlauf weitergeht

In eine Kammer mit unbewegtem Licht von oben gebrachte Pflanzen setzten ihre Ost-West-Bewegung zunächst noch einige Tage fort. Die Bewegung wurde also nicht bei jedem Schritt unmittelbar von der wandernden Sonne erzwungen. Solche vorübergehend frei weiterlaufenden Rhythmen sind ein wichtiger Hinweis auf circadiane Steuerung, eine innere Zeitordnung mit ungefähr täglicher Periode.

Umgekehrt reicht die Uhr allein nicht aus. Bei künstlich nacheinander eingeschalteten Lampen konnten die Pflanzen einen annähernd 24-stündigen Tag nachvollziehen. Wurde der künstliche Zyklus stark verlängert, gelang die Abstimmung nicht mehr in gleicher Weise. Umweltinformation und innere Zeit müssen zusammenpassen. Die Pflanze verarbeitet sowohl die aktuelle Beleuchtung als auch eine zeitabhängige Bereitschaft, darauf mit Wachstum zu reagieren.

Das Verhindern beziehungsweise wiederholte Stören des Sonnenfolgens verringerte in den Versuchen zudem Blattfläche und Biomasse. Der Rhythmus ist damit mehr als eine auffällige Bewegung. Die Experimente belegen einen Vorteil unter ihren jeweiligen Bedingungen, aber keine feste prozentuale Ertragssteigerung für alle Sorten, Standorte und Bewirtschaftungsformen.

Sonnenfolgen ist komplizierter als ein Keimling am Fenster

Viele junge Pflanzen biegen sich zu einer einseitigen Lichtquelle. Es wäre naheliegend, das Sonnenfolgen vollständig mit diesem bekannten Phototropismus zu erklären. Eine Studie von 2023 verglich jedoch gezielt die Genaktivität bei einer Reaktion auf blaues Licht in der Klimakammer mit der Aktivität beim Sonnenfolgen im Freiland.

Die Muster unterschieden sich deutlich. Außerdem verhinderte das Abschwächen bestimmter Lichtfarben im Freiland die Bewegung nicht einfach. Die Befunde sprechen dafür, dass mehrere Lichtsignalwege zusammenwirken und dass sich der Vorgang nicht auf einen einzigen Blaulicht-Sensor reduzieren lässt. Welche molekularen Schritte die verschiedenen Signale im Freiland vollständig verbinden, ist damit noch nicht abschließend erklärt. Gerade die bekannte Sonnenblume zeigt hier den Unterschied zwischen einem geklärten Grundprinzip – ungleiches Wachstum mit Zeitsteuerung – und noch offenen Einzelheiten seiner Regulation.

Warum die erwachsenen Körbchen meist nach Osten schauen

Mit der Reife verlangsamt sich das Stängelwachstum, und die tägliche Bewegung nimmt ab. Blühende Kultursonnenblumen bleiben häufig ostwärts ausgerichtet. Diese Entwicklungsphase ist der Grund, weshalb ein offenes Sonnenblumenfeld nicht den ganzen Tag die Köpfe hinter der Sonne herdreht. Die feste Orientierung ist das Ergebnis der vorangehenden Wachstumsregulation.

Sie verändert die Bedingungen im Körbchen. Nach Osten gerichtete Köpfe erwärmen sich morgens früher als nach Westen gedrehte. Versuche mit veränderten Topfausrichtungen und zusätzlicher Erwärmung zeigten, dass Temperatur einen Teil der Unterschiede bei Blütenentwicklung und Bestäuberbesuchen erklärt. Die Ausrichtung beeinflusste außerdem, wann Pollen präsentiert wurde. In einem Versuch zur Vaterschaft von Nachkommen erzielte Pollen ostwärts gerichteter Pflanzen größeren Erfolg.

Diese Befunde betreffen konkrete Kulturpflanzen und Versuchsbedingungen. Sie bedeuten nicht, dass ein westwärts stehender Kopf grundsätzlich ohne Samen bleibt oder dass sämtliche Insekten immer dieselbe Richtung bevorzugen. Erklärbar wird vielmehr eine Wirkungskette: Ausrichtung beeinflusst die morgendliche Erwärmung, diese beeinflusst die zeitliche Bereitstellung der Blütenorgane und damit die Begegnung mit Bestäubern.

Aus Spiralen werden tägliche Blühringe

Das gelb umrandete Körbchen ist ein ganzer Blütenstand. Seine auffälligen Zungenblüten rahmen die dicht stehenden Röhrenblüten ein. Jede fruchtbare Röhrenblüte besitzt ihren eigenen Fruchtknoten und kann später eine einzelne trockene Frucht hervorbringen. Beim ungeschälten „Sonnenblumenkern“ wird die Fruchtwand mit in der Hand gehalten; der eigentliche Same liegt darin.

Die kleinen Blüten entstehen von außen nach innen und sind spiralförmig angeordnet. Beim Aufblühen treten jedoch tägliche ringförmige Zonen hervor: Mehrere Reihen ähnlich weit entwickelter Blüten durchlaufen ihre späte Entwicklung gemeinsam. In der männlichen Phase wird Pollen präsentiert, danach treten die weiblichen Funktionen stärker hervor. Verschiedene Zonen desselben Kopfes können deshalb gleichzeitig Knospen, Pollenangebot und weiter entwickelte Narben zeigen.

Eine 2023 veröffentlichte Studie verfolgte diese Entwicklung unter veränderten Licht- und Temperaturbedingungen. Tägliche Rhythmen blieben zeitweise auch ohne Lichtwechsel bestehen. Unter bestimmten Dauerlichtbedingungen ging dagegen die geordnete Bildung der Blühringe verloren. Verschob man die Blühphase gegenüber dem natürlichen Morgen, veränderten sich die Bestäuberbesuche. Die Uhr ordnet hier nicht den Standort eines einzigen großen Organs, sondern die gemeinsame Entwicklung vieler kleiner Organe. Sie stimmt deren Bereitschaft mit dem Tagesablauf der Umwelt ab.

Eine einjährige Art mit sehr verschiedenen Kulturformen

Helianthus annuus ist eine einjährige nordamerikanische Art. Keimung, Wachstum, Blüte und Samenreife gehören zu einer Saison; eine ausdauernde Speicherknolle wie beim verwandten Topinambur ist kein Teil dieses Lebenszyklus. Die Pflanzen besitzen große, raue Blätter und kräftige, ebenfalls raue Stängel. Durch Züchtung entstanden sowohl hohe Ölpflanzen als auch kompakte oder verzweigte Gartenformen mit mehreren Körbchen. Ein einzelner gewaltiger Kopf repräsentiert somit nur einen Teil der Formenvielfalt.

Menschen nutzen die ölreichen Samen, und nach der Reife fressen auch Vögel und andere Tiere daran. In vielen Weltregionen wird die Sonnenblume angebaut oder tritt verwildert auf; das ursprüngliche Areal ist davon zu unterscheiden. Der Lebenszyklus verbindet damit mehrere Zeitmaßstäbe: eine Saison für die ganze Pflanze, tägliche Wachstumsrhythmen im jungen Stängel und gestaffelte Fortpflanzungsphasen der Einzelblüten. Erst diese Trennung macht verständlich, weshalb eine stillstehende ausgewachsene Sonnenblume weiterhin ein präzise arbeitendes Entwicklungssystem ist.