Es ist nicht einfach, grün zu sein

May 24, 2011

Es ist nicht einfach, grün zu sein

Salk-Wissenschaftler verstehen besser, wie die Photosynthese reguliert wird

May 24, 2011

LA JOLLA, CA – Die Samen, die in Ihrem Frühlingsgarten sprießen, haben möglicherweise immer noch Schwierigkeiten, die Sonne zu erreichen. Wenn ja, verbrauchen sie eine begrenzte Energiemenge, die in jedem Samen enthalten ist. Sobald diese Ressourcen erschöpft sind, muss der Zellkern der Pflanze bereit sein, ein „grünes“ Photosyntheseprogramm in Gang zu setzen. Forscher am Salk Institute for Biological Studies haben kürzlich eine neue Art und Weise gezeigt, wie diese Signale weitergeleitet werden.

In einer Studie, die in der Ausgabe der Zeitschrift vom 24. Mai 2011 veröffentlicht wurde Current Biology, ein Team unter der Leitung von Johanna Chory, Ph.D., Professor und Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory, und darunter die Postdoktoranden Jesse Woodson, Ph.D. und Juan Perez-Ruiz, Ph.D., identifizieren einen Signalfaktor, der von pflanzlichen Chloroplasten gesendet wird um mit der Photosynthese in Zusammenhang stehende Gene zu aktivieren. Ihre Erkenntnisse könnten dazu beitragen, höhere Ernteerträge und eine bessere Pflanzengesundheit zu erzielen.

„Wenn ein Sämling einen photosynthetischen Lebensstil aufbaut, muss er mehrere tausend Gene im Zellkern aktivieren“, sagt Chory, ebenfalls Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Inhaber des Howard H. und Maryam R. Newman-Lehrstuhls für Pflanzenbiologie. „Eines der Signale dafür kommt von der Organelle, die für die Photosynthese zuständig ist, dem sogenannten Chloroplasten. In dieser Studie haben wir dieses Signalmolekül als Häm identifiziert.“

Obwohl sich bei Pflanzen und Tieren die meisten Gene im Zellkern befinden, finden sich kleine DNA-Ringe von Genen auch in anderen zellulären Bereichen, beispielsweise in den energieproduzierenden Mitochondrien. Pflanzliche Chloroplasten, deren Hauptfunktion darin besteht, Licht und Kohlendioxid in für das Wachstum benötigte Energie und Kohlenhydrate umzuwandeln, enthalten auch Gene, die im Pflanzenzellkern kodierte Faktoren im Zusammenhang mit der Photosynthese regulieren.

„Das Chory-Labor hat zuvor Mutationen in fünf Genen identifiziert Arabidopsis thaliana Pflanzen, die nicht in der Lage waren, Moleküle wie Chlorophyll zu synthetisieren oder auf Signale zu reagieren, die von Zwischenprodukten des Chlorophyll-Biosynthesewegs erzeugt wurden“, erklärt Woodson, der Erstautor der Studie. „Diese Studien deuten darauf hin, dass sich bei Pflanzen, die Stress ausgesetzt sind, ein Zwischenprodukt ansammelt, das den Zellkern anweist, nicht mehr grün zu werden.“

Diesen Mutanten namens GUN (für entkoppelte Genome) 1 bis 5 fehlen Proteine, die für die Weiterleitung dieser Signale an den Zellkern erforderlich sind. Chloroplasten in normalen Pflanzen könnten diese Signale auslösen, wenn Pflanzen Stress ausgesetzt sind, etwa zu viel Hitze oder zu wenig Wasser. Hemmende Signale könnten auch dann gesendet werden, wenn keimende Sprossen noch nicht reif genug sind, um den Sprung von der Abhängigkeit vom Samen-Energiepaket zur eigenen Energiegewinnung aus Sonnenlicht zu schaffen.

Das Team vermutete, dass auch positive Signale den Prozess bestimmen müssten, und untersuchte es Arabidopsis nach Faktoren, die photosynthetische Proteine ​​ein- statt ausschalten. Dazu verwendeten sie einen experimentellen Ansatz namens Aktivierungs-Tagging, bei dem genaktivierende DNA-Sequenzen zufällig in das Gen eingefügt werden Arabidopsis Genom und Pflanzen werden dann einer Herbiziddusche ausgesetzt. Anschließend suchte das Team nach Überlebenden, die weiterhin photosynthetische Proteine ​​herstellen konnten. Per Definition muss in dieser mutierten Pflanze ein Gen, das zur Aufrechterhaltung einer photosynthetischen Wachstumsreaktion erforderlich ist, experimentell eingeschaltet worden sein.

Was sie fanden, war ein benanntes Gen Pistole 6, das das Enzym Ferrochelatase 1 (FC1) kodiert, das erste Gewehr Mutante, die eher ein positives als ein negatives Signal anzeigt. „Waffe 6 Mutanten produzieren zu viel FC1-Protein, ein Enzym, das zur Herstellung eines Signalmoleküls namens Häm erforderlich ist“, erklärt Woodson. Obwohl Häm ein Cofaktor in zahlreichen pflanzlichen und tierischen Stoffwechselwegen ist, ist es vor allem als sauerstofftragender Bestandteil des Hämoglobins bekannt.

Die Studie legt nahe, dass überschüssiges Häm die Expression von Genen im Zusammenhang mit der Photosynthese fördert. „Wenn eine Pflanze ungewöhnlich viel Häm produziert, ist sich der Zellkern möglicherweise nicht bewusst, dass der Chloroplasten nicht funktionsfähig ist und möglicherweise weiterhin wachstumsrelevante Proteine ​​produziert“, sagt Woodson. „Häm ist wahrscheinlich das Signal, das von einem gesunden Chloroplasten an den Zellkern gesendet wird und besagt, dass es Zeit ist, Proteine ​​herzustellen, die für die Photosynthese erforderlich sind.“

Das Team hat Pflanzen auch gentechnisch verändert, um zu viel von einer FC1-Isoform, bekannt als FC2, zu produzieren, und stellte fest, dass mit der Photosynthese in Zusammenhang stehende Gene nicht hochreguliert waren, was darauf hindeutet, dass sich das aus FC2 hergestellte Häm von dem aus FC1 hergestellten Häm unterscheidet und dass das Pflanzenwachstum insgesamt regulierende Signale vorhanden sind sehr komplex.

Die Senfpflanze Arabidopsis wird von Pflanzenbiologen aus den gleichen Gründen bevorzugt, aus denen Tierbiologen auf Mäuse und Fruchtfliegen angewiesen sind – es lässt sich leicht züchten, ist kompakt, vermehrt sich schnell (was für Pflanzenbiologen bedeutet, dass es Unmengen von Samen produziert – und zwar schnell), sein Genom ist sequenziert und es ist … kann genetisch manipuliert werden.

Außerdem ist es unglaublich langweilig. „Da ist nichts Ungewöhnliches Arabidopsis“, bemerkt Woodson. „Das ist gut so, denn alles, was wir daraus lernen, gilt im Allgemeinen für die meisten Pflanzen.“

Das Team bestätigte die Qualität „jeder Pflanze“ und isolierte den Mais (Zea Mays) Äquivalent des FC1-Gens und manipuliert Arabidopsis um künstlich hohe Mengen an Maisprotein herzustellen. Wie Gun-6-Mutanten produzierten diese Pflanzen weiterhin Gene, die mit der Photosynthese in Zusammenhang stehen, wenn sie einem Herbizid ausgesetzt wurden, was zeigt, dass FC1 in einer Kulturpflanze wahrscheinlich das Gleiche bewirkt wie in einem Unkraut. Allerdings wäre die Analyse von Mais, Reis oder Gerste aufgrund ihrer längeren Wachstumszyklen und des Platzbedarfs für ihren Anbau experimentell weniger praktikabel.

„Insgesamt beantwortet diese Arbeit grundlegende Fragen dazu, wie eine Pflanze wächst, Chloroplasten aufbaut und Lichtenergie sammelt, um sich in einen photosynthetischen Organismus zu verwandeln“, sagt Chory. „Zu verstehen, wie Pflanzen die Genexpression zwischen Chloroplasten und Zellkern koordinieren, wird letztendlich die Ernteerträge auf dem Feld steigern, wo Pflanzen während der Vegetationsperiode oft mehreren Belastungen ausgesetzt sind.“

Die Arbeit wurde vom Energieministerium und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt. Jesse Woodson und Juan Perez-Ruiz hatten Postdoktorandenstipendien der National Institutes of Health und des spanischen Bildungsministeriums.

Elise Lamar

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.