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Die Photosynthese ist einer der wichtigsten Stoffwechselprozesse in der Natur: Sie ist entscheidend für das Pflanzenwachstum und damit die Produktion pflanzlicher Nahrungsmittel. Ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam unter Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat desin enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) nun untersucht, ob ein bestimmter, zur Kohlenstofffixierung konkurrierender Stoffwechselweg bei der Photosynthese eine Schutzfunktion für die Pflanzen hat. Die Ergebnisse haben Relevanz auch für die Nutzpflanzenzüchtung, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications erläutern.
Pflanzen wandeln bei der Photosynthese die Energie des Lichts in chemische Energie um. Diese chemische Energie liegt in Form spezieller Moleküle vor: ATP und NAD(P)H. Die darin gespeicherte Energie kann universell für andere Stoffwechselprozesse der Pflanze verwendet werden, beispielsweise um Kohlendioxid (CO2) aus der Luft in Form von Kohlenwasserstoffen wie Zucker zu fixieren.
Wichtig für diesen Prozess ist das katalytisch wirkende Protein „Rubisco“. Doch Rubisco fixiert nicht nur CO2, sondern – als ungewollte Nebenreaktion – auch Sauerstoff. Dabei entsteht das toxische Nebenprodukt 2-Phosphoglycolat, welches wiederum die CO2-Fixierung behindert. Um das störende 2-Phosphoglycolat zu entfernen, ist ein weiterer energieaufwändiger Stoffwechselprozess notwendig, die sogenannte Photorespiration.
Im Laufe des Tages schwankt die Lichtintensität stark, etwa durch sich im Wind bewegende Blätter oder durch Wolken. Entsprechend fluktuiert auch die Menge an verfügbarer chemischer Energie in Form von ATP und NAD(P)H. Gefährlich wird es für die Pflanze, wenn sie plötzlichem Starklicht ausgesetzt ist: Da nur begrenzte Mengen der Vorläufermoleküle für ATP und NAD(P)H vorliegen, kann dann nur ein Teil der absorbierten Licht- in chemische Energie umgewandelt werden. Überschüssige Lichtenergie verursacht an Proteinen sogenannte photooxidative Schäden, was sie inaktiviert.
Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Ute Armbruster vom HHU-Institut für Molekulare Photosynthese hat nun untersucht, ob die Photorespiration Pflanzen bei stark wechselnden Lichtbedingungen vor photooxidativen Schädigungen schützt. Ihre Hypothese: Die Photorespiration verbraucht überschüssige chemische Energie, wodurch ausreichend Vorläufermoleküle für die ATP- und NAD(P)H-Bildung freigesetzt werden. Beteiligt an dem Projekt waren Forschende vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und der Universität Potsdam sowie von der Michigan State University in East Lansing.
Studienobjekt war die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), wobei bei einem Teil der Pflanzen die Gene für HPR1 und GGT1 ausgeschaltet waren (sogenannte Knockout-Pflanzen). Diese Gene kodieren zwei Schlüsselenzyme der Photorespiration, welche sich an verschiedenen Stellen in diesem Stoffwechselweg befinden. Die Pflanzen wurden unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgesetzt: fluktuierendem Licht und konstantem Licht mit zwei Lichtstärken.
Die Forschenden beobachteten, wie die Pflanzen unter den einzelnen Beleuchtungsregimen wuchsen. Laut der Hypothese sollten die Pflanzen mit eingeschränkter Photorespiration schlechter unter den stark schwankenden Lichtbedingungen wachsen, weil hier die Photorespiration keine Schutzfunktion einnehmen kann.
Dr. Thekla von Bismarck, Erstautorin der Studie: „Wir fanden unsere Hypothese nicht bestätigt: Die Photorespiration scheint keine wesentliche Rolle zum Schutz der Pflanzen bei Starklichtphasen von fluktuierenden Lichtverhältnissen einzunehmen. Pflanzen ohne voll funktionsfähige Photorespiration wachsen eher besser unter fluktuierenden als unter konstanten Lichtbedingungen.“
Die Kooperationspartner in Potsdam ergänzten die Studie durch ein Computermodell, mit dem verschiedene Stoffwechselprozesse vorhergesagt werden. Prof. Armbruster: „Der pflanzliche Stoffwechsel stellte sich als sehr flexibel heraus. Auch wenn der Pflanze bestimmte photorespiratorische Enzyme fehlen, können sie diesen Mangel durch andere Stoffwechselwege kompensieren. Der alternative Weg ist jedoch abhängig von der Lichtbedingung, und für Pflanzen ohne GGT1 konnten wir zeigen, dass fluktuierendes Licht mit Bezug auf photooxidativen Schaden einen gefahrloseren Stoffwechselweg aktiviert als nicht-fluktuierendes Licht.“
Die Ergebnisse sind zur Verbesserung vom Ernteertrag durch synthetische Umgehungen der Photorespiration interessant. Die Aktivierung eines pflanzeneigenen alternativen Stoffwechselwegs im Chloroplasten könnte dazu genutzt werden, um bei der Photorespiration freiwerdendes CO2 in der Nähe von Rubisco freizusetzen und somit Photosynthese unter dynamischen Lichtbedingungen zu verbessern.
Bildunterschrift:
Versuchsergebnisse mit verschiedenen Lichtszenarien (Spalten) und unterschiedlichen Arabidopsis-Varianten, bei denen photorespiratorische Enzyme ausgeschaltet sind. Rechts von den Pflanzenbildern befindet sich ein reduziertes Schema der Photorespiration, welches das geringe Wachstum der GGT1-Mutanten im konstanten Licht durch einen photorespiratorischen Stoffwechselweg im Chloroplasten erklärt. (Abbildung: HHU / Thekla von Bismarck)
Thekla von Bismarck, Philipp Wendering, Leonardo Perez de Souza, Jeremy Ruß, Linnéa Strandberg, Elmien Heyneke, Berkley J. Walker, Mark A. Schöttler, Alisdair R. Fernie, Zoran Nikoloski, Ute Armbruster; Growth in fluctuating light buffers plants against photorespiratoryperturbations; Nature Communications 14, 7052 (2023).
DOI: 10.1038/s41467-023-42648-x
Versuchsergebnisse zur Photorespiration. Ausführliche Bildunterschrift siehe Text.
HHU / Thekla von Bismarck
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Nutrition / healthcare / nursing, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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