Wasser oder Land? Völlig egal – Pflanzen steuern Fotosynthese unabhängig ihrer Herkunft einheitlich

Mikroskopische Aufnahme eines Chloroplasten, in dem die Fotosynthese stattfindet. (Foto: Dr. Alexander Hertle, MPI für Molekulare Pflanzenphysiologie)

Juniorprofessor Dr. Felix Willmund (Foto: TUK)

Pflanzen betreiben Fotosynthese und bilden damit die Grundlage für das meiste Leben auf der Erde. Forscher aus Kaiserslautern und Potsdam haben nun untersucht, ob sich die Erzeugung der Fotosynthese-Proteine bei Landpflanzen und Algen unterscheidet. Dazu haben sie die Translation untersucht; der Prozess, bei dem die Erbinformation in Proteine umgesetzt wird. Sie haben entdeckt, dass bei allen Pflanzen dieselben Proteinmengen hierfür gebildet werden, zum Teil aber mit unterschiedlichen Strategien. Das Ergebnis zeigt, wie wichtig diese Proteine für Pflanzen sind, unabhängig vom Lebensraum. Die Erkenntnisse der Studie können helfen, Nutzpflanzen resistenter für den Klimawandel zu machen. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Nature Plants“ erschienen.

Bei der Fotosynthese produzieren Pflanzen aus CO2 mithilfe von Lichtenergie Kohlenhydrate. Dabei setzen sie auch Sauerstoff frei. Dieser biochemisch komplexe Prozess findet in den Chloroplasten statt; kleinen grünen Organellen, die ein eigenes Erbgut besitzen. „Es enthält auch die Gene der Proteine, die an der Fotosynthese beteiligt sind“, sagt Juniorprofessor Dr. Felix Willmund vom Lehrgebiet Eukaryontengenetik an der Technischen Universität Kaiserslautern.

Um diese Erbinformationen in Proteine „umzuwandeln“, wird zunächst eine Kopie des Erbguts erstellt, die Ribonukleinsäure (RNA). „Die Kopie dient als eine Art Bauplan, mit deren Hilfe große Molekülkomplexe, die Ribosomen, die Proteine aus einzelnen Aminosäuren zusammensetzen“, sagt Erstautor Dr. Raphael Trösch, der in der Arbeitsgruppe Willmund auf dem Kaiserslauterer Campus forscht. Dieser Prozess wird auch als Translation bezeichnet.

In der aktuellen Studie sind Trösch und Willmund mit Kollegen um Dr. Reimo Zoschke vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) in Potsdam-Golm der Frage nachgegangen, ob es zwischen entwicklungsgeschichtlich weit auseinanderliegenden Landpflanzen und Algen hierbei Unterschiede gibt. Sie haben diese molekularen Prozesse bei einer Grünalge, der Tabakpflanze und der Ackerschmalwand mit Hilfe einer neuen Methode miteinander verglichen. Zum Einsatz kam das sogenannte Ribosomen-Profiling. Bei dieser Methode werfen die Forscher einen Blick auf die RNA und Ribosomen, die bei der Translation vorhanden sind. Ähnlich einem Fingerabdruck hinterlassen Ribosomen Spuren auf der RNA, die es den Wissenschaftlern erlauben, ein charakteristisches Bild zu erstellen, das ihnen zeigt, welche Proteine in welcher Menge hergestellt werden. Das Besondere dabei: „Wir erhalten mit dieser Technik sowohl einen Überblick über die gesamte Translation, können uns aber auch Details näher anschauen“, sagt Zoschke, der die Arbeitsgruppe Translationsregulation in Pflanzen am MPI-MP leitet.

„Bei allen drei Pflanzenarten haben wir herausgefunden, dass bei der Translation dieselben Mengen an Proteinen gebildet werden, die bei der Fotosynthese eine Rolle spielen“, so Zoschke. Allerdings haben die Forscher auch festgestellt, dass es bei den molekularen Prozessen, die vor und während der Translation ablaufen, Unterschiede gibt. „Dennoch haben die verschiedenen Pflanzen im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, um bei der Translation dieselben Fotosynthese-Komponenten in gleichen Mengen zu bilden“, sagt Willmund. „Das zeigt die zentrale Bedeutung dieser Moleküle.“

Die Arbeiten fanden im Sonderforschungsbereich (SFB Transregio TRR175) „The Green Hub – Der Chloroplast als Zentrum der Akklimatisierung bei Pflanzen“ statt. Er wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft seit 2016 gefördert. Hierbei gehen Forscherteams aus Berlin, Potsdam-Golm, München und Kaiserslautern der Frage nach, wie Pflanzen es schaffen, sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen.

Auch die Ergebnisse der aktuellen Studie zeigen, dass es Pflanzen mit unterschiedlichen Strategien immer wieder gelingt, trotz verschiedenster Lebensbedingungen einen sehr ähnlichen Fotosyntheseprozess zu erreichen. Daher ist es wichtig, solche grundlegenden Prozesse zu erforschen, um besser zu verstehen, welche Mechanismen Pflanzen nutzen, um beispielsweise Umwelteinflüsse wie starke Temperatur- oder Lichtveränderungen zu bewältigen. Künftig soll dieses Wissen helfen, Nutzpflanzen resistenter gegenüber dem Klimawandel zu machen.

Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Plants“ erschienen: „Commonalities and differences of chloroplast translation in a green alga and land plants” DOI: 10.1038/s41477-018-0211-0