Durch Photosynthese binden Pflanzen jährlich rund 258 Milliarden Tonnen CO₂ in ihren Chloroplasten. Damit diese Zellorganellen korrekt funktionieren, benötigen sie bestimmte Mineralstoffe – insbesondere Ionen der Metalle Eisen (Fe), Mangan (Mn), Kupfer (Cu) und Zink (Zn). Störungen des Ionenhaushalts beeinträchtigen die Photosynthese und damit auch Wachstum und Ertrag. Einem Team um den LMU-Biologen Professor Hans-Henning Kunz ist es nun gelungen, das Chloroplasten-Ionom – die Gesamtheit der Metallionen im Chloroplast – verschiedener Pflanzenarten zu entschlüsseln. Ihre Ergebnisse bilden eine wesentliche Grundlage, um die Regulation des Mineralstoffhaushalts in den Chloroplasten aufzuklären und neue biotechnologische Strategien zu entwickeln.
Viele molekulare Mechanismen zur Aufrechterhaltung des Ionenhaushalts in Chloroplasten sind noch unbekannt. Ein wesentlicher Schlüssel für weitere Fortschritte liegt in der Charakterisierung des Chloroplasten-Ionoms, das bislang nur unzureichend beschrieben ist. Um diese Lücke zu schließen, untersuchten die Forschenden die Elementzusammensetzung von Chloroplasten und Blättern der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sowie dreier weiterer Arten – dem Metall-Hyperakkumulator Arabidopsis halleri, Pisum sativum und Nicotiana benthamiana – und analysierten Ähnlichkeiten und Unterschiede.
„Dabei haben wir gefunden, dass die Metallkonzentration in den Chloroplasten über alle Arten hinweg relativ ähnlich war – sogar bei dem Hyperakkumulator A. halleri, der im Blattgewebe etwa 23-mal mehr Zink hatte als die anderen Spezies, waren die Zink-Gehalte in den Chloroplasten etwa auf dem Niveau der anderen Pflanzen“, sagt Lorenz Holzner, der Erstautor der Studie. „Dies deutet darauf hin, dass Pflanzen den Metallgehalt ihrer Chloroplasten innerhalb bestimmter Bereiche konstant halten, um die Photosynthese vor einem Metallüberschuss zu schützen.“
Eine Ausnahme waren dabei die Eisen-Ionen, deren Werte in den Chloroplasten von A. halleri doppelt so hoch waren wie bei A. thaliana. Deshalb untersuchten die Forschenden am Beispiel von Eisen, ob das Chloroplasten-Ionom mithilfe genetischer Modifikationen beeinflusst werden kann. „Tatsächlich sorgte die Mutation eines spezifischen Eisentransportproteins dafür, dass sich Eisen in den Chloroplasten auf das 14-fache anreicherte“, erklärt Holzner.
Die Autoren vermuten, dass das überschüssige Eisen in den Chloroplasten in bestimmten Eisenspeicherproteinen – den Ferritinen – festgelegt wird, denn in Mutanten ohne Ferritin sank der Eisengehalt wieder erheblich. „Unsere Studie zeigt, dass Chloroplasten mit Hilfe der Ferritine in große Eisenspeicher umgewandelt werden können“, sagt Kunz. „Insgesamt liefern unsere Ergebnisse wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer biotechnologischer Konzepte, um die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen zu stärken, Erträge zu verbessern und den Nährstoffgehalt unserer Nahrung je nach Bedarf anpassen zu können.“
Ludwig-Maximilians-Universität München
Originalpublikation:
L. J. Holzner et al.: The chloroplast ionome shines light on the dynamics of organellar iron homeostasis. The Plant Cell 2025, https://doi.org/10.1093/plcell/koag017
