Pflanzen ernähren sich von Sonnenlicht mit Hilfe der Photosynthese. Dieser Prozess absorbiert die Energie des Lichtes und nutzt sie, um aus Wasser und Kohlendioxid Zucker zu bilden. Als Nebenprodukt wird dabei Sauerstoff frei – somit ist die Photosynthese Grundlage für die Biosphäre der Erde. In Pflanzen findet dieser komplexe Prozess in den Zellen der grünen Blätter statt. In ihnen befinden sich kleine Körperchen, die Chloroplasten, in denen die Photosynthese abläuft. Pflanzensamen enthalten noch keine funktionierenden Chloroplasten. Nach der Keimung müssen Sämlinge daher den Photosyntheseapparat zunächst aus hunderten von Chlorophyll- und Proteinmolekülen aufbauen. Wie dieser entscheidende Entwicklungsschritt im Pflanzenleben reguliert wird und wann und wo genau er startet, ist in den molekularen Abläufen noch sehr unverstanden. Pflanzenphysiologen am Institut für Botanik der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben nun einen Durchbruch in diesem Forschungsfeld erzielt, der in der Fachzeitschrift Nature Communications publiziert wurde.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bedienten sich dabei einer Mutante mit einem Defekt in der Chloroplasten-RNA-Polymerase. Diese Mutante kann die Gene für die Photosynthese nicht anschalten und bleibt deswegen weiß. Die Forscher reparierten den Gendefekt der Mutante, bauten dabei aber einen synthetischen Lichtschalter mit ein, der unter rotem Licht ausgeschaltet ist, aber unter blauem Licht eingeschaltet wird. Mit diesem Optoswitch konnten die Biologen nun die BVB09 genannte Pflanzenlinie dazu bringen, gezielt Chloroplasten bei Blaulichtbestrahlung zu erzeugen. Die Doktorandin Finia Uecker, die einen Master in Pflanzlicher Biotechnologie hat, konstruierte diesen Optoswitch im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes „Die Rolle der mit der plastidär-kodierten RNA-Polymerase assoziierten Proteine (PAPs) in der Biogenese der Chloroplasten in Pflanzen“. Sie konnte damit zeigen, dass Chloroplasten nur zu bestimmten Zeitpunkten und in bestimmten Geweben erzeugt werden können.
„Die BVB09-Linie funktioniert dabei als optogenetisches Werkzeug, mit dem die molekularen Prozesse zur Bildung des Photosyntheseapparates zeitlich und räumlich genau angeschaut werden können“, erklärt Prof. Dr. Thomas Pfannschmidt, der die Arbeit betreut hat. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass der von ihnen entworfene Optoswitch in Zukunft auch für andere Fragestellungen genutzt werden kann, z.B. zur Analyse von neuartigen Genen in der Klimaresilienz oder der Ertragssteigerung von Kulturpflanzen sowie in Studien der synthetischen Biologie, in denen die Anwendung eines Lichtschalters nützlich ist.
Universität Hannover
Originalpublikation:
Uecker, F., Ahrens, F.M., Ruder, T. et al. A red/blue optoswitch for temporal control of chloroplast transcription and biogenesis in Arabidopsis. Nat Commun17, 1984 (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-69626-3
