Protein RAP2.12 zeigt Pflanzen den Sauerstoffgehalt der Umgebung an

Bei Überschwemmung können die Pflanzen nicht mehr genug Sauerstoff aufnehmen, den sie dringend für ihre Zellatmung benötigen. Auf diesen Sauerstoffmangelzustand antwortet die Pflanze mit der Aktivierung bestimmter Gene, die ihr helfen, den Stress besser zu bewältigen.

Bisher war ungeklärt, über welchen Mechanismus Pflanzen die Sauerstoffkonzentration messen. Neueste Experimente zeigen, dass sich ein Transkriptionsfaktor, also ein Protein, welches Gene aktivieren kann, bei Sauerstoffmangel von der Zellmembran löst, im Zellkern anreichert und dort Stressantwortgene aktiviert.

Obwohl Pflanzen über die Fotosynthese in der Lage sind Sauerstoff zu produzieren, sind sie bei Dunkelheit genauso auf externen Sauerstoff für ihre Zellatmung angewiesen wie Menschen und Tiere. Sind die Pflanzen von der Sauerstoffzufuhr abgeschnitten, zum Beispiel in Folge von Überflutung, wird die Energie in den Zellen knapp und die Pflanze muss sich diesen veränderten Bedingungen anpassen. Bisher wusste man wenig über die Art und Weise, wie Organismen den Sauerstoffgehalt in ihrer Umgebung bestimmen.

Neusten Erkenntnissen zufolge steht bei Pflanzen das Protein RAP2.12 im Mittelpunkt dieses Mechanismus. Es besitzt die Fähigkeit, an bestimmte DNA-Regionen zu binden und somit das Ablesen von Genen zu aktivieren. Die Forscher beobachteten, dass Pflanzen, die eine Überexpression von RAP2.12 zeigen sich auch besser von Überflutungsereignissen erholen.

Besonders wichtig scheint dabei der sogenannte N-Terminus des Proteins, also der Anfang der Aminosäurekette zu sein. Wird dieser Anfang durch Anfügen oder Abspalten von Aminosäuren verändert, so verschlechtert sich die Reaktion der Pflanzen auf Sauerstoffmangel. Unter normalen Bedingungen befindet sich RAP2.12 in der Zellmembran. Unter Sauerstoffmangel löst sich das Protein von der Membran und reichert sich im Zellkern an, wo es seiner Aufgabe als Transkriptionsfaktor nachkommt und bestimmte Gene aktiviert. Wenn die Pflanze wieder ausreichend Sauerstoff zur Verfügung hat, wird RAP2.12 schnell abgebaut, damit auch das Ablesen der Stressantwortgene zum Erliegen kommt. Bei Pflanzen, die ein am N-Terminus modifiziertes RAP2.12 bildeten, hält sich das Protein bereits unter normalen Sauerstoffkonzentrationen teilweise im Zellkern auf und reichert sich bei Sauerstoffmangel dort an. Bei einer erneut erhöhten Sauerstoffkonzentration wird es jedoch nicht wieder abgebaut.

Doch immer noch war ungeklärt, über welchen Mechanismus RAP2.12 auf unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen reagiert. Forscher vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben gemeinsam mit Kollegen aus Italien und den Niederlanden herausgefunden, dass dafür die sogenannte N-End Regel verantwortlich ist. „Gemäß der N-End Regel bestimmt die erste Aminosäure eines Proteins dessen Lebensdauer“ erklärt Arbeitsgruppenleiter Joost van Dongen, „es gibt stabilisierende und destabilisierende Aminosäuren“. Cystein, die erste Aminosäure von RAP2.12, gehört zu den destabilisierenden Aminosäuren – allerdings nur, wenn Sauerstoff vorhanden ist.

Bei Sauerstoffmangel erhöht sich die Lebensdauer von RAP2.12, es akkumuliert, kann sich von der Zellmembran in den Zellkern bewegen und dort die Stressantwortgene aktivieren. Kehrt der Sauerstoffgehalt in der Umgebung auf normale Werte zurück, wird RAP2.12 innerhalb von einer Stunde abgebaut. „Unsere Entdeckung von RAP2.12 als zentralem Messmolekül eröffnet interessante Möglichkeiten, in Zukunft die Toleranz von Feldfrüchten gegenüber Überschwemmungen zu erhöhen“ so van Dongen weiter. Immerhin ist rund zehn Prozent der Ackerfläche weltweit von zeitweiser Überschwemmung betroffen.