Ionenhaushalt beeinflusst Effizienz der Photosynthese

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Chloroplasten sind die Photosynthese-Fabriken der Pflanzen. Ursprünglich stammen sie von Cyanobakterien ab, die im Lauf der Evolution von einer Wirtszelle „gekapert“ und ins Zellinnere aufgenommen wurden. Aufgrund dieser Entstehungsgeschichte sind sie von einer doppelten Hüllmembran umgeben und besitzen noch eigenes Genom. Wissenschaftler um Professor Hans-Henning Kunz vom Biozentrum der LMU haben nun erstmals gezeigt, dass Ionentransportproteine in der Chloroplastenmembran an der Regulation dieser Gene beteiligt sind und damit bei der Steuerung der Photosynthese eine wichtige Rolle spielen.

Eine innere Membran im Chloroplasten ist der eigentliche Ort der Photosynthese. Umgeben wird sie jedoch von der inneren Hüllmembran, welche unter anderem Ionentransportproteine beherbergt, die für die Regulation des Ionenhaushalts im sogenannten Stroma verantwortlich sind. Das Stroma ist die plasmatische Grundsubstanz im Inneren des Organells, in der sowohl die DNA des Chloroplasten als auch seine Proteinfabriken – die Ribosomen – liegen. Für den korrekten Ablauf der Photosynthese ist es essenziell, dass die Gene im Zellkern und in den Chloroplasten koordiniert arbeiten. „In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnten wir nun nachweisen, dass der Ionenhaushalt im Stroma diese Kommunikation beeinflusst“, sagt Kunz.

Der Biologe hatte bereits früher beobachtet, dass die Chloroplastenentwicklung verzögert ist und die Pflanze kümmert, wenn die Gene für zwei Ionentransportproteine ausgeschaltet sind. „Jetzt haben unsere Experimente gezeigt, dass im Zellkern codierte Helferproteine ohne diese Ionentransporter Schwierigkeiten haben, ihre Partner-RNA im Chloroplasten zu binden“, sagt Kunz. Damit wird die sogenannte RNA-Reifung behindert, ein wichtiger Zwischenschritt bei der Übermittlung der in den Chloroplasten-Genen festgelegten Informationen an die Ribosomen. Besonders ausgeprägt war dieser Defekt bei der RNA, aus der die Ribosomen des Chloroplasten aufgebaut sind. „Entsprechend gibt es weniger funktionsfähige Ribosomen, wodurch die Proteinsynthese in den Mutanten stark beeinträchtigt ist“, so Kunz.

Nach Ansicht der Wissenschaftler können ihre neuen Erkenntnisse dazu beitragen, die Photosynthese bei schwierigen Umweltbedingungen effizienter zu schützen und so Nutzpflanzen besser an den Klimawandel anzupassen. „Ionentransporter könnten dabei ein wichtiges Tool sein“, sagt Kunz. „Die Photosynthese ist sehr abhängig von der biochemischen Umgebung im Stroma, und diese Transporter haben darauf einen großen Einfluss. Nur wenn wir deren komplexe Funktionsweise und Struktur im Detail verstehen, haben wir auch die Möglichkeit, sie zu manipulieren und nutzbar zu machen.“
The Plant Cell 2021