Wie Pflanzen schlechten Lichtbedingungen trotzen

Mit Licht vollbringen Pflanzen wahre Wunder. Sie nutzen das klimaschädliche Kohlendioxid, um lebenswichtigen Sauerstoff und Glucose herzustellen und garantieren damit das Leben auf der Erde. Und das, obwohl die Lichtbedingungen für Pflanzen in der Regel alles andere als optimal sind.

Wälder, Felder, Wiesen – überall wachsen sie eng beieinander und nehmen sich dadurch gegenseitig das Licht weg. Einen weiteren Teil filtern die obersten Blätter der Pflanze selbst heraus. „Das was am Ende für die meisten Blätter übrig bleibt, kann die Pflanze eigentlich kaum noch für die Photosynthese verwenden“, weiß PD Dr. Thomas Pfannschmidt von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Trotzdem ist sie in der Lage, selbst unter extremsten Bedingungen Photosynthese zu betreiben, indem sie sich an die jeweiligen Umweltbedingungen anpasst.“

Welche Reaktionen dabei in der Pflanze ablaufen und wie sie ihren Photosyntheseapparat umstrukturiert, um das Licht besser auszunutzen, ist bisher nur in Grundzügen bekannt. Pflanzenphysiologen der Universität Jena haben jetzt einige der Mechanismen genauer untersucht. Dabei haben sie sich besonders auf die Regulation der Gene konzentriert – ein Hauptthema der Arbeitsgruppe um Dr. Pfannschmidt.

„Wir wollten wissen, wie schnell und umfangreich sich verändernde Lichtverhältnisse auf die Genexpression auswirken“, so Pfannschmidt. „Dafür haben wir die natürlichen Lichtgradienten, wie sie auf die Photosysteme I und II der Pflanze auftreffen, im Labor nachgestellt und die Veränderungen in der Pflanze untersucht.“ Sowohl Kurz- als auch Langzeitantworten auf veränderte Lichtqualität spielten dabei eine Rolle. Es stellte sich heraus, dass die Regulation der Gene wesentlich komplexer und schneller ist als bisher angenommen wurde. So haben die Wissenschaftler bereits innerhalb von 30 Minuten Veränderungen in der Expression einiger hundert Gene beobachten können. „Das Überraschende dabei ist, dass neben Photosynthese-Genen auch viele Metabolismus-Gene betroffen sind“, so Pfannschmidt. Dies spiegelte sich auch in Veränderungen des Stoffwechsels wider.

Einer der veränderten metabolischen Parameter war Stärke, konstant blieb dagegen die Produktion des Transportzuckers Sucrose. „Diese Ressourcen-Verschiebung deutet darauf hin, dass die Pflanze mit ihrer Taktik versucht, die Konzentration an Transportzucker trotz veränderter Bedingungen weitgehend konstant zu halten“, erläutert Pflanzenphysiologe Pfannschmidt.

Seine Arbeitsgruppe an der Universität Jena konnte damit erstmals zeigen, dass nicht nur der Photosynthese-Apparat der Pflanze umgebaut, sondern auch ihr metabolischer Zustand entsprechend angepasst wird. „Die Photosynthese stellt also nicht einfach nur einen passiven, Energie fixierenden Prozess dar, sondern wirkt gleichzeitig als Umweltsensor“, resümiert PD Dr. Thomas Pfannschmidt. „Wenn nötig, reguliert sie die Expression ihrer eigenen Gene und passt die gekoppelten Stoffwechselprozesse an ihren jeweiligen Funktionszustand an.“

Die Ergebnisse der Jenaer Arbeitsgruppe sind jetzt in der international bedeutendsten Fachzeitschrift im Bereich Pflanzenforschung, „The Plant Cell“, veröffentlicht worden.

Zukünftig wollen die Pflanzenphysiologen von der Universität Jena die einzelnen Vorgänge noch detaillierter untersuchen. Außerdem wollen sie die Versuche statt an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana an landwirtschaftlich relevanten Arten wie Mais und Raps weiterführen. „Wenn wir diese Anpassungsprozesse komplett verstehen, können wir gezielt solche Pflanzen erzeugen, die mit den speziellen Lichtbedingungen auf Feldern besser zurechtkommen“, hebt Thomas Pfannschmidt den praktischen Nutzen seiner Forschung hervor. Dann könnten die Erträge von Nutzpflanzen als Nahrungsmittel und Energieträger in Zukunft vielleicht erheblich gesteigert werden.

Originalpublikation (online): Bräutigam, K. et al.: Dynamic Plastid Redox Signals Integrate Gene Expression and Metabolism to Induce Distinct Metabolic States in Photosynthetic Acclimation in Arabidopsis. The Plant Cell (http://www.plantcell.org)

Kontakt:
PD Dr. Thomas Pfannschmidt
Institut für Allgemeine Botanik und Pflanzenphysiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Dornburger Str. 159, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 949236
E-Mail: thomas.pfannschmidt[at]uni-jena.de