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Die Photosysteme I und II, zwei ausgedehnte
Molekülkomplexe, stehen im Mittelpunkt der photosynthetischen
Reaktionen von Pflanzen. Sie absorbieren beide Sonnenlicht, sind aber
auf unterschiedliche Wellenlängen optimal eingestellt. Bei der
Photosynthese arbeiten die beiden Systeme hintereinander. Für eine
effiziente Kooperation müssen sie aber beide gleichermaßen durch
Lichtenergie angeregt werden. Wird dagegen eines der beiden
Photosysteme aufgrund der Lichtverhältnisse begünstigt, ergibt sich
ein Ungleichgewicht. Dies können die Pflanzen durch eine Anpassung an
die Lichtverhältnisse verhindern: Dann stellen sich die beiden
Photosysteme auf die Wellenlänge und Menge des eingestrahlten Lichts
ein.
Eine Maßnahme ist die kurzfristige Umverteilung der
überschüssigen Energie zwischen den beiden Photosystemen. Aber auch
eine langfristige Maßnahme ist bekannt, die dazu führt, dass die Licht
absorbierenden Antennenmoleküle der Photosysteme anders angeordnet
werden, und das Mengenverhältnis der beiden Photosysteme zueinander
sich ändert - was die gesamte Photosynthese-Maschinerie umorganisiert.
"Insgesamt sind es drei Maßnahmen auf unterschiedlichen Ebenen, die
dazu führen, dass die Anregungsenergie zwischen beiden Photosystemen
ausgeglichen wird", berichtet Leister. "Dadurch wird ein Anstieg -
gegebenenfalls auch die Optimierung - der photosynthetischen Ausbeute
erreicht."
Bei Lichtverhältnissen, die besonders günstig für
das Photosystem II sind, wird ein bestimmtes Enzym, STN7 genannt,
aktiviert. Dieses ist für eine der drei zentralen Maßnahmen der
Lichtanpassung verantwortlich: eine chemische Veränderung, die so
genannte Phosphorylierung der lichtabsorbierenden Moleküle des
Photosystems II. Dabei wird überschüssige Energie auf das Photosystem
I übertragen, und gleichzeitig eine weitere Energieaufnahme durch das
Photosystem II erschwert. "Unklar war, welche Prozesse hinter den
beiden anderen Maßnahmen der Lichtanpassung stehen", so Leister. "Wir
konnten jetzt aber nachweisen, dass STN7 auch essenziell ist für die
langfristige Antwort der Pflanzen auf Veränderungen in der
Lichtqualität sowie die Regulation einer Reihe photosynthetischer
Gene."
Das Team um Leister konnte auch zeigen, dass ein
zweites Enzym, verwandt mit STN7 und daher als STN8 bezeichnet, für
die Phosphorylierung von Proteinen im Herzen von Photosystem II
verantwortlich ist. Von diesem dritten regulatorischen Mechanismus im
Zusammenhang mit der Photosynthese wurde lange Zeit angenommen, er sei
für die Reparatur von Photosystem II erforderlich. "Die
Phosphorylierung von Proteinen des Photosystems II wird durch STN8
vermittelt, ist aber nicht essenziell für deren Austausch, wenn sie
defekt sind", widerlegt Leister die vorherrschende Lehrmeinung.
Nur zwei Enzyme regulieren also die drei zentralen
Mechanismen der photosynthetischen Lichtanpassung, indem sie
gleichzeitig und koordiniert wirken. "Eigentlich handelt es sich um
einen Fall aus dem Lehrbuch", meint Leister dazu. "Schließlich zeigt
sich hier sehr eindrucksvoll, wie mit Hilfe von zwei Enzymen kurz- und
langfristig wirkende Regulationen biologischer Prozesse, die auf ganz
unterschiedlichen Ebenen stattfinden, verzahnt werden. Denn während
kurzfristig manche Proteine der Photosysteme chemisch verändert
werden, erfolgt die langfristige Regulation über Signale vom
Chloroplasten an den Zellkern, die die Aktivität von Genen verändern."
Auch in Zukunft wird sich Leister mit der
photosynthetischen Lichtanpassung der Pflanzen beschäftigen. Für ihn
steht jetzt vor allem der langfristige Aspekt im Vordergrund. "Wir
wollen herausfinden, wie die Signale in den Kern gelangen", so Leister.
"Denn sie sind eine Voraussetzung für die Anpassung der Pflanze an
sich ändernde Umweltbedingungen. Uns interessiert aber auch, wie die
Pflanze die Reparatur und Neusynthese der Photosysteme steuert. Es
gibt ein Netzwerk von Mechanismen, die sich ganz oder teilweise
ersetzen können, und die wir aufklären wollen." Bemerkenswert an der
jetzt publizierten Arbeit ist nicht nur die Kooperation der an vielen
Institutionen beheimateten Wissenschaftler. "Wir sollten auch betonen,
dass nur junge Forscher, die jünger als 40 sind, daran beteiligt
waren", meint Leister. |
