Die Bearbeitung von RNA könnte bei der Kommunikation zwischen Chloroplasten und Zellkern eine Rolle spielen

Die Bearbeitung von RNA könnte bei der Kommunikation zwischen Chloroplasten und Zellkern eine Rolle spielen

Salk-Wissenschaftler entdecken einen Zusammenhang zwischen RNA-Editierung und Chloroplasten-Kern-Kommunikation, der Pflanzen helfen könnte, sich an eine sich verändernde Welt anzupassen

LA JOLLA – Wie wird eine Welt aussehen, in der es um drei Grad wärmer wird? Wie werden Pflanzen bei extremeren Wetterbedingungen zurechtkommen? Wenn Pflanzen Stress oder Schäden aus verschiedenen Quellen ausgesetzt sind, nutzen sie die Chloroplasten-Kern-Kommunikation, um die Genexpression zu regulieren und ihnen bei der Bewältigung zu helfen.

Jetzt haben Forscher des Salk Institute herausgefunden, dass GUN1 – ein Gen, das zahlreiche retrograde Signalwege vom Chloroplasten zum Zellkern integriert – auch eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Proteinen in beschädigten Chloroplasten spielt, was neue Erkenntnisse darüber liefert, wie Pflanzen auf Stress reagieren. Das Papier wurde im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) am 15. April 2019 und könnte Biologen dabei helfen, Pflanzen zu züchten, die Umweltstress besser standhalten können.

„Der Klimawandel birgt das Potenzial, unser Nahrungsmittelsystem dramatisch zu beeinflussen. Wenn Pflanzen gestresst sind, beispielsweise bei einer Dürre, produzieren sie geringere Ernteerträge. Wenn wir verstehen, wie Pflanzen auf Stress reagieren, können wir vielleicht einen Weg entwickeln, ihre Widerstandskraft zu erhöhen und die Nahrungsmittelproduktion hoch zu halten“, sagt Salk-Professor Johanna Chory, Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory und leitender Autor des Artikels.

In Pflanzenzellen wandeln Strukturen, sogenannte Chloroplasten, Energie aus Sonnenlicht in chemische Energie um (Photosynthese). Normalerweise überträgt der Zellkern Informationen an die Chloroplasten, um eine stetige Energieproduktion aufrechtzuerhalten. In einer stressigen Umgebung senden Chloroplasten jedoch über retrograde Signale einen Alarm an den Zellkern zurück (wodurch eine Rückkopplungsschleife für die Kommunikation zwischen Chloroplasten und Zellkern entsteht). Dieses SOS löst eine Reaktion aus, die dabei hilft, die Genexpression in den Chloroplasten und im Zellkern zu regulieren, um die Energieproduktion aus Sonnenlicht zu optimieren.

Zuvor identifizierte das Chory-Labor eine Gruppe von Genen, darunter GEWEHR1, die die Expression anderer Gene in der Zelle beeinflussen, wenn die Pflanze Stress erfährt. GUN1 reichert sich unter Stressbedingungen an, aber die genaue molekulare Funktion von GUN1 war bisher schwer zu entschlüsseln.

 „Pflanzen sind häufig Umweltstress ausgesetzt, daher muss es einen Kommunikationsweg zwischen Chloroplasten und Zellkern geben, der der Pflanze hilft, zu wissen, wann sie Energie sparen muss, wenn eine Verletzung auftritt“, sagt Xiaobo Zhao, Erstautor und Postdoktorand in Chorys Labor. „Es stellt sich heraus, dass GUN1 dabei eine große Rolle spielt.“

Um zu verstehen, wie GUN1 die Kommunikation zwischen Chloroplasten und Kern reguliert, beobachteten die Wissenschaftler Pflanzen mit funktionellem und nicht funktionierendem GUN1 unter pharmakologischen Behandlungen, die Chloroplasten schädigen könnten. In Pflanzen ohne GUN1 veränderte sich die Genexpression, ebenso wie die RNA-Editierung in Chloroplasten. (RNA-Bearbeitung ist eine Modifikation der RNA, die die Identität von Nukleotiden verändert, sodass sich die Informationen in der reifen RNA von den im Genom definierten unterscheiden, wodurch sich die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen ändern.) Einige Bereiche der RNA hatten mehr Bearbeitungsstellen und andere Stellen hatte weniger Editierung – was darauf hindeutet, dass GUN1 eine Rolle bei der Regulierung der Chloroplasten-RNA-Editierung spielt.

Nach weiteren Analysen stellte das Team unerwartet fest, dass GUN1 mit einem anderen Protein, MORF2 (einem wesentlichen Bestandteil des pflanzlichen RNA-Editing-Komplexes), zusammenarbeitet, um die Effizienz der RNA-Editierung während der Chloroplasten-Kern-Kommunikation in beschädigten Chloroplasten zu beeinflussen. Eine größere Aktivität von MORF2 führte selbst unter normalen Wachstumsbedingungen zu weitreichenden Editierungsänderungen sowie Defekten in der Chloroplasten- und Blattentwicklung (siehe Bild). In Zeiten von Stress und Verletzungen führte die Überproduktion von MORF2 auch zu einer Störung der Chloroplasten-Kern-Kommunikation.

„Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Chloroplasten-Kern-Kommunikation und der Chloroplasten-RNA-Bearbeitung hin, die wichtige regulatorische Funktionen für Blütenpflanzen sind, insbesondere bei Stress“, sagt Chory, Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Inhaber des Howard H . und Maryam R. Newman Lehrstuhl für Pflanzenbiologie.

Als nächstes wollen die Forscher den Mechanismus untersuchen, wie die RNA-Editing-Änderungen in Chloroplasten Signale aktivieren, die an den Zellkern weitergeleitet werden können, und wie diese Modifikationen die Fähigkeit der Pflanze verändern, auf Stress zu reagieren.

Zu den weiteren Autoren gehörte Jianyan Huang, ein Postdoktorand im Chory-Labor.

Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium (DE-FG02-04ER15540) und dem Howard Hughes Medical Institute finanziert.

DOI: X