Die grüne Eminenz – Neues Protein könnte Ertrag von Kulturpflanzen verbessern

Pflanzen nutzen zwei Varianten der molekularen „Sonnenkollektoren“, die jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge optimal absorbieren. Ein Forscherteam um den LMU-Biologen Professor Dario Leister hat nun ein Protein entdeckt, das für den Zusammenbau des Photosystems II der Pflanzen essenziell ist, aber auch in Photosynthese betreibenden Cyanobakterien vorkommt – wenn auch in unterschiedlicher Funktion.

„Besonders interessant ist, dass das Protein PAM68 im fertigen Photosystem II gar nicht selbst auftaucht“, sagt Leister. Langfristig könnte der Fund dazu beitragen, die Photosynthese von Kulturpflanzen zu optimieren und Photosysteme künstlich zu erzeugen, etwa für neuartige Solarzellen. (Plant Cell online, 5. Oktober 2010)

Die Photosynthese ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde, weil sie Sauerstoff und energiereiche Verbindungen produziert, die andere Organismen wie der Mensch benötigen. Die Energie für diesen Prozess stammt aus dem Sonnenlicht, das Pflanzen, Algen und Photosynthese betreibende Cyanobakterien mit Hilfe von Photosystemen – eine Art molekulare Sonnenkollektoren – absorbieren. „Alle diese Organismen verfügen über zwei verschiedene Photosysteme, die jeweils Licht einer bestimmten Wellenlänge besonders effektiv einsammeln können“, sagt Professor Dario Leister vom Department Biologie I der LMU München.

In den Photosystemen sind neben den lichtabsorbierenden Chlorophyllen verschiedene Proteine enthalten. „Der Aufbau dieser Multiproteinkomplexe erfolgt in mehreren Schritten und benötigt bestimmte Hilfsproteine“, so Leister. In der vorliegenden Studie untersuchte das Team um den Biologen, welche dieser sogenannten Assemblierungsfaktoren bei der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) und dem Modell-Cyanobakterium Synechocystis von Bedeutung sind. Dabei konnten die Forscher ein neues Protein identifizieren, das mit mehreren wichtigen Proteinen des Photosystems II in Wechselwirkung tritt und wesentlich am Zusammenbau dieses Multiproteinkomplexes beteiligt ist.

„Das Protein PAM68 kommt sowohl in der Pflanze als auch bei den Cyanobakterien vor“, berichtet Leister. „Erstaunlicherweise erfüllt es dabei aber unterschiedliche Funktionen.“ So ist der neu gefundene Assemblierungsfaktor zwar in allen Fällen für den Zusammenbau früher Baustufen des Photosystems II notwendig. Fehlt das Protein aber, reichern sich in der Ackerschmalwand sehr frühe Zwischenprodukte des Assemblierungsprozesses an, während diese Vorstufen in den Cyanobakterien mit erhöhter Geschwindigkeit verarbeitet werden. Obwohl das Protein für den Aufbau des Photosystems II nötig ist, wird es selbst aber nicht in den Multiproteinkomplex eingebaut. „Hier ist einmal das Ganze weniger als die Summe seiner Teile“, so Leister.

Insgesamt zeigt die Arbeit Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede bei der Photosynthese von Pflanzen und Cyanobakterien auf. „Langfristig könnte das bessere Verständnis der Photosysteme I und II Sonnenenergie effizienter nutzen lassen“, sagt Leister. Denkbar ist unter anderem die Entwicklung künstlicher Photosysteme, etwa in Form neuartiger Solarzellen. Die Ergebnisse können aber auch zur Züchtung von Kulturpflanzen beitragen, die dank robusterer Photosysteme besser mit Lichtstress umgehen können und daher höhere Erträge erzielen. In nachfolgenden Studien wollen Leister und sein Team nun nach weiteren Assemblierungsfaktoren suchen und diese Proteine im Detail charakterisieren. (CA/suwe)

Publikation:
„The Arabidopsis thylakoid protein PAM68 is required for efficient D1 biogenesis and photosystem II assembly”;
Ute Armbruster, Jessica Zühlke, Birgit Rengstl, Renate Kreller, Elina Makarenko, Thilo Rühle, Danja Schünemann, Peter Jahns, Bernd Weisshaar, Jörg Nickelsen, Dario Leister;
Plant Cell online, 5. Oktober 2010
DOI: 10.1105/tpc.110.077453
Ansprechpartner:
Professor Dario Leister
Department Biologie I der LMU München
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