VBIO
Aktuelles aus den Biowissenschaften

Wie Blütenpflanzen ihren Stoffwechsel drosseln

Blütenpflanze
Blütenpflanze PixabayCC0

Im Frühling und Sommer recken sich Blütenpflanzen nach dem Licht, um genügend Sonnenlicht zu empfangen. Die Aufgabe, diese „Lichtnahrung“ aufzunehmen und zu deren Umwandlung in biochemische Energie beizutragen, übernimmt der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll: Photosynthese heißt der von ihm vermittelte Prozess, der die Pflanze mit Energie versorgt und so Wachstum und die passgenaue Synthese von Molekülen über biochemische Reaktionen ermöglicht. Einer dieser Stoffwechselprozesse ist der Tetrapyrrolbiosyntheseweg, in dem das lebensnotwendige Chlorophyll ebenso wie das Molekül Häm produziert werden. Häm ist an vielen Reaktionen in der Pflanze beteiligt und dient unter anderem zur Stressabwehr. Was aber passiert, wenn das Licht des Tages schwindet und die Photosynthese zum Erliegen kommt?


Wie die Tetrapyrrolsynthese in bedecktsamigen Pflanzen im Tagesverlauf reguliert wird, untersuchen die Pflanzenphysiologen Dr. Andreas Richter und Prof. Bernhard Grimm von der Humboldt-Universität zu Berlin. Ausgangspunkt ihrer Forschung ist die Tatsache, dass Pflanzen ihren Stoffwechsel ebenso wie ihre Lebensweisen an die äußeren Gegebenheiten präzise anpassen müssen. „In den Bedecktsamern, den Angiospermen, wird des nachts die Synthese des Chlorophylls abgeschaltet, während die Hämsynthese fortgesetzt wird. Am Tag muss die Synthese beider Produkte permanent dem Bedarf angepasst werden“, erklärt Bernhard Grimm. Denn ohne bedarfsgerechte Regulierung würden die in der Tetrapyrrolbiosynthese entstehenden Stoffe überproduziert und die Pflanze schädigen. Wie nun gelingt es den Blütenpflanzen, die Produktion regulatorisch präzise zu drosseln?

Prof. Dr. Bernhard Grimm und Dr. Andreas Richter zeigen in einer im Wissenschaftsjournal eLife veröffentlichten Studie, dass Häm mittels eines Feedback-Kontrollmechanismus regulierend eingreift und so für einen ausbalancierten Tetrapyrrolsyntheseweg sorgt. Wird Häm im Überfluss produziert, so fanden die Forscher heraus, dient dieses als Signal für die Pflanze, in eine Art Ruhemodus umzuschalten. Hintergrund ist, dass die Glutamyl-tRNA Reduktase (GluTR), das erste Enzym des Tetrapyrrolstoffwechsels, durch ein Bindeprotein stabilisiert wird. Tritt überschüssiges Häm in der Zelle auf, wird es von dem GluTR-Bindeprotein gebunden. Dadurch schwächt sich die Interaktion zwischen Bindeprotein und GluTR ab, sodass GluTR für den Abbau durch Proteasen zugänglich wird. Damit wird die Synthese von Tetrapyrrolvorstufen vermindert und die Produktion von Chlorophyll und Häm selbst kommt zum Erliegen.

Die Wissenschaftler zeigen mit ihrer Forschung, was lange vermutet war, bislang aber nicht sicher bestätigt werden konnte: „Schon seit mehr als 30 Jahren wird postuliert, dass Häm nicht nur in Tieren, sondern auch in Pflanzen zur Feedback-Kontrolle in der Tetrapyrrolbiosynthese beiträgt. Das konnten wir mit dieser Studie jetzt experimentell nachweisen“, freut sich Bernhard Grimm. Der Pflanzenphysiologe ist überzeugt, dass die Aufklärung des Mechanismuses zukünftig von großem Nutzen sein könnte. „Das wird der Forschung über den Einfluss Häm-vermittelter Feedback-Kontrolle des pflanzlichen Stoffwechsels zur Regulation von Wachstum und Ertrag von Kulturpflanzen Auftrieb verleihen“, so der Wissenschaftler.

Humboldt-Universität zu Berlin


Originalpublikation:

Andreas Richter, Claudia Banse, Bernhard Grimm. “The GluTR-binding protein is the heme-binding factor for feedback control of glutamyl-tRNA reductase” doi: 10.7554/eLife.46300

https://elifesciences.org/articles/46300