Biochemie Mutation senkt Energieverschwendung bei Pflanzen
Wie ein Defekt unterm Strich zu effizienterem Wachstum führt.
Pflanzen sind gewissermaßen Energieverschwender: Um sich vor zu viel Elektronentransport zu schützen, nutzen sie einen Teil der Lichtenergie nicht für die Fotosynthese und den Aufbau von Biomasse. Durch eine Mutation lassen sie sich dazu bringen, effizienter zu arbeiten. Das hat ein Team der RUB und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) herausgefunden. Dazu identifizierte die Arbeitsgruppe mehrere tausend Proteine, bestimmte ihre jeweilige Menge in Mutanten- und in Referenzlinien und kombinierte die erhaltenen Befunde mit Messungen der Fotosyntheseleistung. Über ihre Ergebnisse berichtet die Zeitschrift Nature Communications am 3. April 2020.
Mutationen rufen Defekte hervor
Für ihre Arbeiten, die das Team um Dr. Julia Grimmer von der MLU und Prof. Dr. Sacha Baginsky, Leiter des Lehrstuhls Biochemie der Pflanzen an der RUB, gemeinsam durchführte, nutzen die Forscherinnen und Forscher als Modellorganismus die Ackerschmalwand, wissenschaftlich Arabidopsis thaliana. „Die Pflanze ist bestens untersucht, und es gibt viele bekannte Mutationen“, erklärt Julia Grimmer. Zwei dieser Mutationen waren für die Gruppe von besonderem Interesse und gaben den Ausschlag für die nun beschriebenen Entdeckungen.
Eine der Mutationen ist dadurch gekennzeichnet, dass der Import von Proteinen in die Chloroplasten gestört ist. Chloroplasten sind davon abhängig, einen Großteil ihrer Proteine aus dem Zytoplasma zu importieren. „Durch einen Defekt im Import kann nicht ausreichend Chlorophyll gebildet werden – die Pflanzen sind nicht grün, es ist eine Albinomutante“, so Erstautorin Julia Grimmer. Die andere Mutation beeinflusst die Funktion des sogenannten Proteasoms. Dieser Proteinkomplex ist dafür zuständig, Proteine im Zytoplasma abzubauen. In der Mutante ist die Funktionalität des Proteasoms verändert.
Doppelter Defekt verbessert die Leistung
„Die Kombination dieser beiden Mutationen hat dazu geführt, dass ein neuer Phänotyp der Pflanze entstanden ist“, erklärt Sacha Baginsky. „Die Pflanzen sind grüner als die Albinomutante und betreiben auch mehr Fotosynthese. Das hat uns überrascht, weil es der Intuition widerspricht. Fügt man dem ersten einen zweiten Defekt hinzu, verbessert sich die Funktion.“
Untersuchungen mit Wildtyp-Arabidopsis-Pflanzen ergaben, dass die Verbesserung der Fotosyntheseleistung durch die Proteasommutation auch unabhängig von der Importmutation auftritt. Darin könnte ein Potenzial liegen, die Umwandlung von Kohlendioxid in Biomasse durch Pflanzen effizienter zu machen.
