Die Photosynthese gehört zu den wichtigsten Lebensvorgängen auf der Erde. Sie findet in bestimmten Zellorganellen – den Chloroplasten – statt, die von Bakterien abstammen, die im Lauf der Evolution von Wirtszellen aufgenommen wurden. Chloroplasten haben die meisten Gene an den Zellkern abgegeben, besitzen aber auch noch eigene Gene. Daher muss ein Informationsaustausch zwischen Zellkern und Chloroplasten stattfinden. Diese Kommunikation ist sehr komplex, viele Komponenten sind noch nicht bekannt. LMU-Biologen um Privatdozentin Dr. Tatjana Kleine haben nun einen völlig neuen Signalweg identifiziert, der wichtig für die Stresstoleranz der Pflanze ist und den programmierten Zelltod unterdrücken kann. Dies könnte ein vielversprechender Ansatzpunkt für die Erzeugung stressresistenter Nutzpflanzen sein. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS.
In den Chloroplasten werden ständig reaktive Sauerstoffspezies produziert, die einerseits als Signalmoleküle dienen, andererseits aber in höheren Konzentrationen für die Zelle schädlich sein können. Zu diesen Sauerstoffspezies gehört auch der sogenannte Singulett-Sauerstoff (1O2). Wenn Pflanzen etwa durch zu starke Sonneneinstrahlung gestresst sind, steigt die Konzentration dieser Sauerstoffspezies stark an. „Schon in einer früheren Studie konnte gezeigt werden, dass Singulett-Sauerstoff ein Signalmolekül ist, das eine Stressantwort der Pflanze bis zum Wachstumsstopp und sogar zum programmierten Zelltod hervorrufen kann“, sagt Kleine. „Nun war es unser Ziel, weitere Komponenten des 1O2-induzierten Signalwegs zu identifizieren.“
Für ihre Studie nutzten die Wissenschaftler eine Doppelmutante der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), in der die Produktion des Singulett-Sauerstoffs durch Belichtung gezielt aktiviert werden kann. Zudem ist das Gen EXECUTER1 inaktiviert, das für die Einleitung des Zelltods bei hohen Singulett-Sauerstoff-Leveln notwendig ist, sodass es auch bei hohen Leveln an Singulett-Sauerstoff nicht zum Zelltod kommt.
In diesem Modell untersuchten die Wissenschaftler mithilfe eines genetischen Screening-Verfahrens, welche anderen Gene an der 1O2-abhängigen Signalübertragung beteiligt sind. Dabei fanden sie, dass das sogenannte SAFE1-Protein die Doppelmutante vor den schädlichen Folgen des Singulett-Sauerstoffs schützt. „Wird SAFE1 inaktiviert, kommt es wieder zum Zelltod. Aber nicht dadurch, dass EXECUTER1 ´repariert‘ würde, sondern es ist ein unabhängiger und völlig neuer Signalweg, der ebenfalls durch Singulett-Sauerstoff induziert wird“, sagt Liangsheng Wang, der Erstautor der Studie. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass SAFE1 ein Regulator ist, der die Zelle schützt, indem er an den Rändern des Membransystems der Chloroplasten, in denen die Lichtreaktion stattfindet, die Weiterleitung des Stresssignals unterdrückt.
Singulett-Sauerstoff ist die Sauerstoffspezies, die die Photosynthese am stärksten beeinträchtigt. Damit ist SAFE1 ein starker Gegenspieler der durch Singulett-Sauerstoff ausgelösten Stressreaktion und könnte nach Ansicht der Wissenschaftler ein interessanter Ansatzpunkt für die Erzeugung stressresistenter Pflanzen sein. „Möglicherweise könnte man das Protein in den Pflanzen überexprimieren und so hoffen, dass sie mehr durch zu starke Sonneneinstrahlung entstandenen Singulett-Sauerstoff tolerieren“, sagt Kleine.
LMU
Originalpublikation:
Liangsheng Wang, Dario Leister, Li Guan, Yi Zheng, Katja Schneider, Martin Lehmann, Klaus Apel, Tatjana Kleine: The Arabidopsis SAFEGUARD1 suppresses singlet oxygen-induced stress responses by protecting grana margins, PNAS 2020
