Helfer für die Energiegewinnung der Pflanzen

Die Studie nimmt Bezug auf die Endosymbionten-Theorie, die der Bonner Universitätsgelehrte Andreas Franz Wilhelm Schimper bereits im Jahr 1883 aufstellte und die längst als erwiesen gilt. Vor mindestens einer Milliarde Jahre muss demnach ein photosynthetisches Bakterium in die pflanzliche Wirtszelle geraten sein, wo es sich zum Chloroplasten entwickelt hat.

Ohne diese sogenannte „Endosymbiose“ wäre die Photosynthese, das heißt die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Zucker und Sauerstoff durch Lichtenergie in den Pflanzen nicht möglich.

Dieses ehemalige Bakterium im Inneren der Wirtszelle ist von zwei Membranen umhüllt. Die überwiegenden Bausteine dieser Membranen bilden die sogenannten Galactolipide. Diesen beiden Hüllmembranen widmeten die Wissenschaftler bei den jahrelangen Untersuchungen ihre Aufmerksamkeit.

„Die Frage unserer Forschungen war herauszufinden, welche Hülle für was genau zuständig ist”, erklärt Prof. Dr. Peter Dörmann, Direktor des Instituts für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Bonn.

Wissenschaftler experimentieren mit Pfanzenmutanten

Dafür experimentierten die Wissenschaftler mit Mutanten der beliebten Forschungspflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). In die Pflanze brachten sie verschiedene genveränderte Varianten eines Proteins der Galactolipid-Produktion ein, das sich auf der Außenhülle des Chloroplasten befindet. Die wichtigste Erkenntnis: Dieses Protein ist von essentieller Bedeutung für die Einbettung des ehemaligen Bakteriums in die Zelle. „Ohne das Protein kann der Chloroplast nicht überleben. Ohne Chloroplast kann die Pflanze nicht überleben”, sagt Barbara Kalisch, Doktorandin an der Universität Bonn, die den nun veröffentlichten Artikel als eine Hauptautorin mitverfasste.

„Lipide können nicht einfach durch Wasser wandern“

Neben der Produktion der Galactolipide ist das Protein auch an dem Transfer von Galactolipiden von der äußeren zur inneren Hüllmembran beteiligt. Die Forscher haben im Rahmen ihrer Experimente das Protein künstlich auch an die innere Hülle platziert. Dort funktionierte die Lipidproduktion ebenfalls, die Zelle blieb überlebensfähig. Wenn das Protein in der inneren Hüllmembran sitzt, dann bedarf es keines weiteren Transports. Warum sich in der Natur der Standort außen und nicht innen befindet, konnte noch nicht geklärt werden.

Die Versuche legen außerdem nahe, dass das Protein der Grund dafür ist, dass es zwischen den beiden Hüllmembranen der Chloroplasten überhaupt zu einem Lipidaustausch kommen kann. Der ist wichtig, damit der Chloroplast und mit ihm die Pflanze wachsen kann. Der Raum zwischen den beiden Hüllmembranen ist mit Wasser gefüllt, aber „Lipide können nicht einfach durch das Wasser wandern”, erklärt Prof. Dr. Peter Dörmann von der Universität Bonn. Es könnten allerdings weitere Faktoren an diesem Lipid-Austausch mitwirken. „Unsere bisherigen Untersuchungen sind sicher noch nicht das Ende unserer Forschung”, so Dörmann.

Publikation: Amélie A. Kelly, Barbara Kalisch, Georg Hölzl, Sandra Schulze, Juliane Thiele, Michael Melzer, Rebecca L. Roston, Christoph Benning und Peter Dörmann: Synthesis and transfer of galactolipids in the chloroplast envelope membranes of Arabidopsis thaliana, „Proceedings of the National Acadamy of Sciences of the USA“, DOI: 10.1073/pnas.1609184113

Kontakt für die Medien:

Prof. Dr. Peter Dörmann
Institut für Molekulare Physiologie und
Biotechnologie der Pflanzen
Universität Bonn
Tel.: +49-228 73-2830
E-Mail: doermann@uni-bonn.de