Kölner Max-Planck-Forscher haben herausgefunden,
wie Protein-Kinasen in Pflanzen die Anpassung an andere
Lichtbedingungen steuern.
Das gesamte Leben auf der Erde hängt von der
Photosynthese ab, jenem Prozess, bei dem Lichtenergie für den Aufbau
organischer Substanzen genutzt wird. Wenn sich die Lichtverhältnisse
ändern, muss sich die Pflanze darauf einstellen und anpassen, wobei
man drei unterschiedliche Arten der Anpassung unterscheidet. Die
Pflanze dreht dabei an den Knöpfen der Photosynthese-Maschinerie und
verändert wichtige "Protein-Zahnräder". Max-Planck-Wissenschaftler
beschreiben jetzt in der Fachzeitschrift Nature (Nature, 20. Oktober
2005), wie zwei Protein-Kinasen, also Enzyme, die Phosphat-Gruppen an
andere Proteine anhängen, die verschiedenen Anpassungen des
Photosynthese-Apparats steuern und damit der Pflanze ermöglichen, sich
besser an veränderte Lichtbedingungen anzupassen.
Die Photosynthese ist ein recht
komplexer Prozess, ohne den Leben auf der Erde nur schwer oder nur für
exotische Mikroorganismen möglich wäre. Man benötigt zwei Moleküle:
Kohlendioxid und Wasser. Von beiden gibt es riesige Mengen. Die
Pflanze schickt diese beiden Komponenten durch die
Photosynthese-Maschinerie, dort werden beide Komponenten verbunden und
Zuckermoleküle synthetisiert. Von diesen süßen Energielieferanten
ernährt sich die Pflanze und indirekt alle anderen Lebewesen.
Für die Anpassung der
Photosynthese an andere Lichtverhältnisse gibt es drei Mechanismen: 1.
die kurzfristige Anpassung, bei der die Licht sammelnden Antennen
innerhalb von Minuten umgebaut werden, 2. die langfristige Anpassung,
bei der die Zusammensetzung und das Verhältnis der Photosystem
zueinander innerhalb von Tagen verändert wird, und 3. die
Phosphorylierung bestimmter Proteine des Photosystem II, von der man
bisher annahm, dass dies für den Austausch defekter
Photosyntheseproteine erforderlich ist.
Abb.:Die
Protein-Kinase STN8 befindet sich in den Chloroplasten des
Blattes. Mit Hilfe der konfokalen Lasermikroskopie erkennt man auf
dem linken Bild das rot leuchtende Marker-Protein und in der Mitte
ist die Autofluoreszenz der Chloroplasten (grün) dargestellt.
Rechts sind beide Bilder fotomontiert.
Bild:
Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
Ein kleiner molekularer Helfer,
die Protein-Kinase STN7, ist für die erste und zweite Form der
Anpassung zuständig, und eine verwandte Kinase, STN8, für die dritte
Art der Anpassung. Während die Funktion von STN7 bei der ersten Form
der Anpassung bereits bekannt war, konnte das Forscherteam aus Köln
und München mit Unterstützung aus Jena und Düsseldorf zeigen, dass
STN7 auch für die zweite Form der Anpassung erforderlich ist und die
Rolle des Enzyms STN8 bei der dritten Art der Anpassung aufklären. Das
Team um Dario Leister vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
in Köln hat damit einen Meilenstein in der Erforschung der Anpassung
des Photosynthese-Mechanismus an veränderte Lichtbedingungen gesetzt.
STN8 verändert das Herz des
Photosystems II, indem es dort Proteine phosphoryliert. Diese
Phosphorylierung wurde für lange Zeit als entscheidend beim Austausch
defekter Proteine des Photosystem II angesehen. Die Forscher konnten
jedoch zeigen, dass die Phosphorylierung von Proteinen des
Photosystems II nicht Maß gebend für deren Austausch ist. Damit stellt
sich jetzt die Frage, wofür diese Phosphorylierung überhaupt benötigt
wird. Dieser sowie der Frage, wie die STN7-Kinase die kurz- und
langfristige Anpassung der Photosynthese koordiniert, wollen die
Forscher in Zukunft nachgehen. Erste Anhaltspunkte konnten sie in der
Nature-Publikation bereits liefern: Die Phosphorylierung bestimmter
photosynthetischer Proteine scheint für die Regulation spezieller Gene
im Chloroplasten und im Zellkern Maß gebend zu sein.
20. Oktober 2005
Quellen und weitere Informationen:
-
V. Bonardi, P. Pesaresi, T. Becker, E. Schleiff, R. Wagner, T.
Pfannschmidt, P.Jahns & D. Leister: "Photosystem II core
phosphorylation and photosynthetic acclimation require two
different protein kinases" [Nature,
Volume 437 Number 7062, 20.10.2005]
