Das System zur Kontrolle zellulärer Schäden hilft Pflanzen dabei, es zu überstehen

Das System zur Kontrolle zellulärer Schäden hilft Pflanzen dabei, es zu überstehen

LA JOLLA – Da der Nahrungsmittelbedarf ein beispielloses Ausmaß erreicht, befinden sich Landwirte in einem Wettlauf mit der Zeit, um Pflanzen anzubauen, die den Herausforderungen der Umwelt – Schädlingsbefall, Klimawandel und mehr – standhalten können. Jetzt wurden neue Forschungsergebnisse des Salk Institute veröffentlicht Forschung am 23. Oktober 2015 enthüllt Details zu einem grundlegenden Mechanismus, wie Pflanzen ihre Energieaufnahme verwalten, was möglicherweise zur Ertragssteigerung genutzt werden könnte.

„Pflanzen sind insofern einzigartig, als sie dort stecken bleiben, wo sie keimen. Daher müssen sie verschiedene Möglichkeiten nutzen, um mit den Umweltherausforderungen umzugehen“, sagt er Johanna Chory, leitender Autor des Artikels und Direktor von Salk's Labor für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie. „Das Verständnis der Techniken, die Pflanzen zur Stressbewältigung einsetzen, kann uns helfen, stärkere Pflanzen mit höherem Ertrag zu entwickeln, um unserer wachsenden Nahrungsmittelknappheit zu begegnen.“

Pflanzen haben in jedem Blatt Zellorganellen, die winzigen Sonnenkollektoren ähneln. Diese mikroskopisch kleinen Strukturen, sogenannte Chloroplasten, wandeln Sonnenlicht in chemische Energie um, um das Wachstum der Pflanze zu ermöglichen. Die Kommandozentrale der Zelle, der Zellkern, sendet gelegentlich Signale aus, um alle 50–100 Chloroplasten in der Zelle zu zerstören, beispielsweise im Herbst, wenn die Blätter braun werden und abfallen. Das Salk-Team fand jedoch heraus, wie der Pflanzenkern beginnt, die Materialien ausgewählter, nicht funktionierender Chloroplasten abzubauen und wiederzuverwenden – ein Mechanismus, der bisher vermutet, aber noch nie gezeigt wurde.

In Pflanzen können Chloroplasten große Mengen an giftigem Singulett-Sauerstoff ansammeln, einer reaktiven Sauerstoffspezies, die bei der Photosynthese entsteht. In diesen Zellen scheinen die meisten Chloroplasten (grüne Organellen) und Mitochondrien (rote Organellen) gesund zu sein. Allerdings wird der Chloroplasten oben links im Bild selektiv abgebaut und interagiert mit der zentralen Vakuole (blau).

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

„Wir haben einen neuen Weg entdeckt, der es einer Zelle ermöglicht, eine Qualitätskontrolle an den Chloroplasten durchzuführen“, sagt Jesse Woodson, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk und Erstautor der Arbeit. Chloroplasten sind voll von Enzymen, Proteinen und anderen Materialien, die die Pflanze ansonsten nutzen kann, wenn der Chloroplast defekt ist (z. B. giftige Materialien erzeugt) oder nicht benötigt wird.

Bei der Untersuchung einer mutierten Version der Modellpflanze Arabidopsis stellte das Team fest, dass die Pflanze fehlerhafte Chloroplasten produzierte, die ein reaktives, toxisches Molekül namens Singulett-Sauerstoff erzeugten, das sich in den Zellen ansammelte. Das Team stellte fest, dass die Zellen die beschädigten Chloroplasten für den Abbau mit einem Proteinmarker namens Ubiquitin markierten, der in Organismen von der Hefe bis zum Menschen verwendet wird, um die Funktion eines Proteins zu modifizieren. Bei genauerer Untersuchung stellte das Team fest, dass ein Protein namens PUB4 die Markierung initiierte.

„Beschädigte Chloroplasten wurden mit diesem Ubiquitin-Protein überzogen“, sagt Woodson. „Wir glauben, dass sich dies grundlegend vom zellweiten Signal unterscheidet, da die Zelle weiterhin Photosynthese betreiben möchte, aber einige schlechte Chloroplasten angreifen und entfernen muss.“

Jesse Woodson und Joanne Chory

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Während PUB4 in anderen Arbeiten mit dem Zelltod in Verbindung gebracht wurde, zeigte das Salk-Team, dass dieses Protein den Abbau von Chloroplasten einleitet, indem es Ubiquitin-Tags anbringt, um das Organell für das zelluläre Recycling zu markieren. Dieser Prozess, sagt Woodson, ähnelt der Kennzeichnung defekter Solarmodule, um sie in andere Materialien zu zerlegen.

„Das Verständnis der grundlegenden Biologie von Pflanzen wie diesem selektiven Chloroplastenabbau bringt uns einen Schritt näher an das Lernen, wie man Chloroplasten kontrolliert und Pflanzen entwickelt, die resistenter gegen Stressfaktoren sind“, sagt Chory, der auch Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Inhaber des Zertifikats ist Howard H. und Maryam R. Newman Lehrstuhl für Pflanzenbiologie. Wenn eine Pflanze beispielsweise in einer relativ entspannten Umgebung wächst, könnte man möglicherweise den Abbau von Chloroplasten reduzieren, um das Wachstum der Pflanze zu fördern. Oder wenn die Umgebung viel Sonne enthält, könnte die Förderung des Abbaus und der Regeneration von Chloroplasten das Gedeihen der Pflanze fördern.

Interessanterweise könnten Chloroplasten uns auch dabei helfen, unser Gehirn zu verstehen. Neuronen verfügen über energieerzeugende Organellen, die den Chloroplasten ähneln und Mitochondrien genannt werden. „Kürzlich wurde deutlich, dass Mitochondrien in der Zelle selektiv abgebaut werden und dass eine schlechte Ansammlung von Mitochondrien zu Krankheiten wie Parkinson und möglicherweise Alzheimer führen könnte“, sagt Woodson. „Zellen, ob Pflanzen oder Tiere, lernen, defekte Energieorganellen selektiv abzubauen, um zu überleben.“

Durch ein besseres Verständnis dieses Prozesses in Chloroplasten kann das Salk-Team möglicherweise auch Erkenntnisse darüber gewinnen, wie die Zellen mit sich schlecht verhaltenden Mitochondrien umgehen. „Bisher sieht es so aus, als ob es sich um einen parallelen Prozess handeln könnte“, fügt Woodson hinzu. „Wir hoffen, dass wir mit unseren für Pflanzen verfügbaren molekularen und genetischen Werkzeugen weiterhin allgemeine Konzepte darüber aufdecken können, wie Zellen diese Qualitätskontrollprüfungen an Organellen durchführen, und auch etwas über neurodegenerative Erkrankungen lernen können.“

Weitere Autoren dieser Arbeit sind Matthew S. Joens, Andrew B. Sinson, Jonathan Gilkerson und James A. Fitzpatrick vom Salk Institute sowie Patrice A. Salomé und Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie.

Die Forschung wurde unterstützt von der US-Energieministerium, der Howard Hughes Medical Institute und Howard H. und Maryam R. Newman.