Mechanismus zum Lichtschutz von Pflanzen entschlüsselt

Pflanzen, wie zum Beispiel die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die als Modellpflanze in der Pflanzenwissenschaft gilt, akkumulieren in den Blattgeweben im Zuge der Anpassung an höhere Lichtintensitäten große Mengen von Farbstoffen (rechts).
(c) Andreas Richter/Universität Rostock

Veränderte Umweltbedingungen, wie beispielsweise durch den Klimawandel hervorgerufen, erfordern entsprechende Anpassungen von Pflanzen.

Eine Forschungsgruppe vom Institut für Biowissenschaften der Universität Rostock unter Beteilung der Humboldt-Universität zu Berlin und der Ludwig-Maximilians-Universität München konnte nun entschlüsseln, wie Pflanzen Schutzpigmente ausbilden, um sich vor hoher Lichtintensität zu schützen. Die Arbeit wurde im Fachjournal Plant Communications veröffentlicht.

Die pflanzliche Photosynthese bildet die Grundlage für das Leben auf der Erde. Im Rahmen dieses physikalisch-biochemischen Prozesses, der in den Pflanzenzellen in so genannten Chloroplasten abläuft, wird Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Nutzung der Energie des Sonnenlichts zu Zucker umgewandelt. Die entstehenden Kohlenhydrate sind essentiell für pflanzliches Wachstum und Biomasseproduktion und damit von grundlegender Bedeutung für die Nahrungsketten auf der Erde.

Bedingt durch ihre ortsgebundene Lebensweise haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, veränderte Umweltbedingungen, wie etwa das Lichtangebot oder die Umgebungstemperatur, zu tolerieren. Die sich im Rahmen des Klimawandels rapid verändernden Wachstumsbedingungen können bei Nutzpflanzen jedoch auch zu hohen Ernteverlusten führen. Um besser zu verstehen, wie Pflanzen mit den veränderten Umweltbedingungen umgehen, werden ihre Anpassungsreaktionen an der Universität Rostock untersucht. Eine häufig zu beobachtende Reaktion auf erhöhtes Lichtangebot, aber auch auf Temperaturveränderungen oder Nährstoffmangel, ist eine veränderte Färbung der Pflanzenblätter.

Hervorgerufen wird dieser Farbwechsel durch so genannte Anthocyane – wasserlösliche Farbstoffe, die im Zellsaft von Pflanzen vorkommen und beispielsweise auch bei Blüten und Früchten zu einer intensiven roten, violetten oder blauen Färbung führen. Ausgelöst durch Umweltreize, wie zum Beispiel erhöhte Lichtintensität, reichern sich diese blau-rötlich gefärbten Schutzpigmente in den Blättern der Pflanzen an, wo sie unter anderem aufgrund ihrer lichtabsorbierenden Eigenschaften die Zellstrukturen schützen können. Die veränderte Färbung der Blattgewebe spielt demnach bei der pflanzlichen Akklimatisierung an ungünstige Umweltbedingungen eine wichtige Rolle.

Der Abteilung „Pflanzliche Stoffwechselphysiologie“ am Institut für Biowissenschaften der Universität Rostock, die von Juniorprofessor Andreas Richter geleitet wird, ist es nun gelungen, diejenigen Mechanismen zu entschlüsseln, die für die Aktivierung der Bildung der Farbstoffe in Pflanzen verantwortlich ist. Im Zuge ihrer Arbeiten konnte die Arbeitsgruppe den in den Pflanzenzellen stattfindenden Kommunikationsweg, der bei Anpassung an erhöhte Lichtintensitäten zur verstärkten Ausbildung von Anthocyanen führt, nachvollziehen. Dabei zeigte sich, dass die im Rahmen der Photosynthese erzeugten Zucker als Signalmoleküle für die Aktivierung der Anthocyanbildung bei Lichtüberschuss verantwortlich sind. „Wie sich herausstellte, führt die gesteigerte Bildung von Kohlenhydraten, wie sie etwa unter erhöhten Lichtintensitäten zu beobachten ist, zu einer verstärkten Bildung von Enzymen, die für die Bildung der Anthocyane in der Pflanze notwendig sind“, sagt Andreas Richter.

Die Chloroplasten funktionieren dabei wie ein Sensor für veränderte Umwelteinflüsse. „Die Chloroplasten senden beispielsweise bei stärkerer Sonneneinstrahlung Signale aus, die es der Pflanzenzelle, und damit der ganzen Pflanze, erlauben, sich an die neuen Gegebenheiten anzupassen. Unsere Untersuchungen unterstreichen damit einerseits die zentrale Rolle der Chloroplasten für die zelluläre Energiegewinnung, gleichermaßen aber auch ihre Schlüsselfunktion für die Akklimatisierungsreaktion der Pflanze an veränderliche Umweltbedingungen“, so Andreas Richter.

Zukünftig wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Juniorprofessor Andreas Richter die Vorgänge der pflanzlichen Akklimatisierung auf zellulärer Ebene besser verstehen und prüfen, inwiefern der aufgedeckte Mechanismus auch eine Relevanz für die Anpassung an andere Umweltbedingungen wie Kälte oder Nährstoffmangel hat. Die Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an eine sich stetig verändernde Umwelt und unterstützt so Bestrebungen zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen.

Die Arbeiten zu den nun veröffentlichten Ergebnissen wurden unter der Leitung von Juniorprofessor Andreas Richter an der Humboldt-Universität begonnen und nach seinem Ruf an die Universität Rostock weitergeführt. Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Nägele der Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt. Beide Arbeitsgruppen sind Mitglieder des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanzierten Sonderforschungsbereich/Transregio 175 „The Green Hub – Central Coordinator of Acclimation in Plants“, der sich mit der zentralen Rolle der Chloroplasten im Rahmen pflanzlicher Akklimatisierungsantworten befasst.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Jun.-Prof. Dr. Andreas Richter
Universität Rostock
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Institut für Biowissenschaften/Pflanzliche Stoffwechselphysiologie
Tel.: +49 381 498 6113
andreas.richter@uni-rostock.de

Originalpublikation:

Max-Emanuel Zirngibl, Galileo Estopare Araguirang, Anastasia Kitashova, Kathrin Jahnke, Tobias Rolka, Christine Kühn, Thomas Nägele, Andreas S. Richter (2022): Triosephosphate export from chloroplasts and cellular sugar content regulate anthocyanin biosynthesis during high light acclimation. Plant Communications 3, 100423, https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100423

http://www.uni-rostock.de

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