Den Mechanismen der Umweltanpassung von Pflanzen auf der Spur

Wie beeinflussen unterschiedliche Lichtintensitäten die Pflanzen?

03.02.2021 - Deutschland

Ein Forschungsteam vom Tokyo Institute of Technology und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat die Regulation von Enzymaktivitäten in den Chloroplasten von Pflanzen untersucht. In der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) beschreiben sie deren Abhängigkeit von der Lichtintensität und damit von sich ändernden Umweltbedingungen.

Chloroplasten sind kleine Untereinheiten (sogenannte Organellen) in den Zellen von Grünalgen und Landpflanzen. In ihnen wird die Photosynthese betrieben. Dazu enthalten sie den grünen Farbstoff Chlorophyll, mit dessen Hilfe die Pflanze aus Wasser, Kohlendioxid und Licht Zuckermoleküle aufbauen.

Enzyme steuern die Prozesse innerhalb der Chloroplasten; diese Moleküle sind gleichsam die Maschinerie in den kleinen chemischen Fabriken in der Pflanzenzelle. Die Forscherinnen und Forscher vom Tokyo Institute of Technology und vom HHU-Institut für Biochemie der Pflanzen um Prof. Dr. Andreas Weber wollten in ihrer gemeinsamen Studie wissen, wie Umweltbedingungen diese Maschinerie beeinflussen. Insbesondere untersuchten sie, wie unterschiedliche Lichtintensitäten – wie sie im Laufe eines Tages, aber auch während des Jahreslaufs auftreten – die Pflanzen beeinflussen.

Die Forscher sind dabei einen neuen Weg gegangen: Mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 entfernten sie mit chirurgischer Präzision im genetischen Code der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) einen kleinen Abschnitt. Dieser ist für die Regulation des Enzyms Malat-Dehydrogenase zuständig. Indem der sogenannte Redox-Switch im Enzym ausgeschaltet wird, kann die Zelle dieses nicht mehr in Antwort auf Änderung der chemischen Umgebung im Chloroplast regulieren.

Die so veränderten Arabidopsis-Pflanzen zogen die Wissenschaftler im Gewächshaus in Tokio an, parallel zu unveränderten Kontrollgruppen. Alle diese Pflanzen setzten sie unterschiedlichen Lichtbedingungen aus, sowohl unterschiedlichen Intensitäten als auch variierenden Hell-Dunkel-Zyklen.

Die Ergebnisse dieser Arbeiten bestätigten zum einen die Vermutung, dass der Redox-Switch das Enzym während Dunkelphasen – also zum Beispiel während der Nacht – oder solchen mit wenig Licht abschaltet. Zum anderen fand das Forschungsteam überraschenderweise, dass die Pflanzen ohne Redox-Switch ansonsten kaum unterschiedlicher wuchsen als diejenigen in den Kontrollgruppen. Es kam lediglich dann zu negativen Wachstumseinschränkungen, wenn bei den simulierten Tagen die Tageszeitdauer sehr kurz war oder aber wenn die Lichtbedingungen sehr stark schwankten.

Prof. Weber: „Die Arbeit zeigt die Bedeutung der Redox-Regulation von Enzymaktivitäten in Chloroplasten für eine kontinuierliche Anpassung von Pflanzen an sich dynamisch ändernde Umweltbedingungen, insbesondere die Lichtbedingungen. Hierüber können möglicherweise in der Folge auch Pflanzen speziell auf unterschiedliche Lichtbedingungen angepasst werden, so dass verschiedene Varianten in unterschiedlichen Anbaugebieten gute Erträge liefern.“

Die gemeinsame Forschungsarbeit resultiert aus einer langen gemeinsamen Zusammenarbeit zwischen den Instituten in Tokio und Düsseldorf. So erlernte der Erstautor Yuichi Yokochi an der HHU die CRISPR/Cas9-Methodik, und Seniorautor Prof. Dr. Toru Hisabori war mehrfach Gastforscher in Düsseldorf.

Die Forschungsarbeiten wurden durch den Düsseldorfer Exzellenzcluster CEPLAS und das internationale Graduiertenkolleg 1525 „The Dynamic Response of Plants to a Changing Environment“ unterstützt.