Pflanzenphysiologie: Wie drei Proteine die Photosynthese regeln

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Pflanzen, Algen und Cyanobakterien gewinnen aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser energiereiche Biomoleküle. Dieser Vorgang, auch Photosynthese genannt, ist extrem komplex. Bis dato haben Forschende zwar wichtige Schritte, aber noch längst nicht alle Details verstanden: ein Thema, dem sich Prof. Dr. Dario Leister vom Department Biologie I der LMU widmet. Er untersucht, wie die Photosynthese gesteuert wird. Leisters Team fand nun heraus, dass drei Proteine, nämlich PGRL1, PGRL2 und PGR5, sich bei einem Teilprozess der Photosynthese wechselseitig kontrollieren. PGRL2 wurde nun im Zuge der Arbeiten neu entdeckt.

Zum Hintergrund: Die Photosynthese besteht aus mehreren Teilreaktionen. Zu Beginn absorbieren verschiedene Pigmente elektromagnetische Strahlung des Sonnenlichts. Über komplexe Schritte wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Bestimmte Moleküle dienen als Energiespeicher oder als Baustoffe für das Wachstum von Lebewesen. Photosynthese umfasst zwei grundsätzliche Mechanismen. Am besten bekannt ist der lineare Weg mit zwei Pigment-Protein-Komplexen, den Photosystemen I und II. Linear bedeutet, dass Elektronen ausgehend vom Wasser von einem Komplex auf den nächsten übertragen werden.

Dabei erhöht sich ihre Energie schrittweise. Neben der Energiewährung ATP bilden sich Reduktionsäquivalente, die Pflanzen benötigen, um Zucker aufzubauen. Außerdem kennen Wissenschaftler den zyklischen Weg. Er findet nur im Bereich des Photosystems I statt; Elektronen kehren über andere Proteine wieder zur ursprünglichen Position zurück. Hier entsteht nur ATP. „Pflanzen benötigen beide Wege“, sagt Leister. „Vor allem unter Stressbedingungen, wenn mehr ATP erforderlich ist, hat die zyklische Reaktion eine erhebliche Bedeutung.“ Ohne diesen Mechanismus seien Pflanzen in der freien Natur nicht überlebensfähig.

Ein Arbeiter, ein Motivator, ein Kontrolleur

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Doch wie wird der zyklische Weg reguliert? Vor knapp 20 Jahren entdeckten japanische Forscher bei Durchmusterungen von Mutanten der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einem pflanzlichen Modellsystem, das Protein PGR5; PGR steht für „Protonengradient“, weil bei der Photosynthese ein Protonen-Konzentrationsgefälle aufgebaut wird. „Uns hat erstaunt, dass PGR5 recht unscheinbar war und keine Sequenzbereiche besitzt, die es zu einem typischen Elektronentransporter machen könnte“, sagt Leister. Deshalb gab es schon recht bald die Vermutung, dass es neben PGR5 weitere Faktoren geben muss.

Leister bestätigte dies bereits im Jahr 2008 auf Grundlage eigener Experimente. Er entdeckte ein weiteres Protein, PGRL1 genannt. Es wird von zwei Genen codiert, was erklärt warum es nicht schon bei der Durchmusterung gefunden wurde, die zur Entdeckung von PGR5 geführt hatte. „Wir dachten, mit PGRL1 das entscheidende Protein gefunden zu haben“, erinnert sich der LMU-Forscher. In Pflanzen beeinträchtigt nämlich sowohl die Inaktivierung von PGR5 als auch von PGRL1 den zyklischen Elektronenfluss um das Photosystem I. Fehlt PGRL1, ist PGR5 instabil, aber nicht umgekehrt. Die LMU-Forscher vermuteten deshalb, dass PGRL1 für die zyklische Photosynthese von zentraler Bedeutung ist. Vor allem hatte dieses Protein Strukturelemente, um Elektronen zu übertragen.

Die Regulation der zyklischen Photosynthese erwies sich jedoch als noch vielschichtiger. Jetzt entdeckten LMU-Biologen PGRL2 als drittes beteiligtes Protein – und damit ein komplexes Zusammenspiel. War PGRL2 ausgeschaltet, lief dieser Photosynthese-Schritt weiterhin ab. Hohe Konzentrationen von PGRL2 aber machten PGR5 instabil, selbst wenn PGRL1 vorhanden war. Vollkommen unerwartet aber war die Entdeckung, dass PGR5 wieder auftauchte, sobald man PGRL1 und PGRL2 gleichzeitig inaktiviert. Diese Pflanzen konnten wieder – ohne PGRL1 und PGRL2 - zyklischen Elektronentransport betreiben. Interessanterweise wuchsen diese Pflanzen aber schlechter als Pflanzen ohne PGR5 (und ohne den zyklischen Elektronentransport). Leister zeichnet ein anschauliches Gesamtbild: „PGRL1 ist der Motivator von PGR5, und PGRL2 der Kontrolleur. Ohne Motivator ist PGR5 inaktiv, ohne Kontrolleur arbeitet es sich ganz gut, aber ohne Motivator und Kontrolleur zeigt PGR5 eine zu hohe bis zerstörerische Aktivität.“

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden herausfinden, welche biochemischen Mechanismen die komplexe Interaktion erklären. Ihr Vorteil: Mit Cyanobakterien haben sie ein Modellsystem, das genetisch deutlich einfacher ist als Arabidopsis.

Publikation: T. Rühle et al: PGRL2 triggers degradation of PGR5 in the absence of PGRL1. Nature Communications, 2021.

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