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Wie Pflanzen ihren Chlorophyllstoffwechsel kontrollieren

HU-Forscher haben neue Regulatoren entdeckt, die gleichzeitig die Synthese und den Abbau von Chlorophyll koordinieren. Studie im Magazin Nature Communications veröffentlicht.

Darstellung von abgelösten Blättern
Abbildung: Repräsentative Darstellung von abgelösten
Blättern von Wildtyp-, bcm1 bcm2-Doppelmutanten,
BCM1-Überexpression und BCM2-Überexpressionskeimlingen
(von links nach rechts) nach 0 oder 7 Tagen Dunkelinkubation
(DDI). Skalenbalken = 0,5 cm.

Chlorophyll ist das am häufigsten vorkommende Pigment auf der Erde, das Pflanzen ermöglicht, Sonnenenergie zu absorbieren, um die Photosynthese zu initiieren. Im Frühling beginnen auskeimende Pflanzen die Chlorophyllsynthese, die sich zunächst in einem leichten Grün der Pflanzen zeigt und dann im Laufe des Pflanzenwachstums für ein immer kräftigeres Grün der Pflanze sorgt. Erst am Ende der Wachstumsperiode verlieren die Pflanzen durch Chlorophyllabbau wieder ihre grüne Pigmentierung.

Dr. Peng Wang und Prof. Dr. Bernhard Grimm von der Arbeitsgruppe Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin erforschen, wie Pflanzen entscheiden, wie lange Chlorophyll synthetisiert werden und wann es zum Abbau des Chlorophylls kommen soll. Die Wissenschaftler entdeckten die ähnlichen Regulationsfaktoren BALANCE of CHLOROPHYLL METABOLISM (BCM) 1 and 2 in Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), der Modellpflanze für Molekularbiologen der Pflanzenwissenschaften. Diese beiden Faktoren tragen zur Kontrolle bei, wie lange und wie intensiv Chlorophyll neu gebildet wird und wann der Abbau des Chlorophylls in Blättern beginnen soll. Die Ergebnisse veröffentlichten sie in dem Magazin Nature Communications.

Die Funktion von BCM1 und BCM2 besteht also in der gleichzeitigen Kontrolle der zwei antagonistischen Chlorophyllstoffwechselwege, indem die beiden Faktoren mit entscheidenden Protei-nen der Synthese und des Abbaus des Chlorophylls interagieren. BCM interagiert mit dem Regulator GENOMES UNCOUPLED 4 (GUN4), der die Magnesium Chelatase stimuliert, dem ersten Enzym der Chlorophyllsynthese, während gleichzeitig die Interaktion des BCM mit dem STAY-GREEN 1 Protein, dem ersten und dominanten Enzym des Chlorophyllkatabolismus (des Abbaus), dafür sorgt, dass dieses Enzym destabilisiert und abgebaut wird. Damit wird gleichzeitig die Chlorophyllsynthese stimuliert und der Chlorophyllabbau unterdrückt.


Abbildung: Pflanzen regulieren den Chlorophyllgehalt, um
die Photosynthese zu optimieren. Hier beschreiben Wang
et al. zwei paraloge Thylakoid-Proteine, BCM1 und BCM2,
die gleichzeitig zur Stimulation der Chlorophyll-Biosynthese
und der Abschwächung des Chlorophyll-Abbaus beitragen,
wodurch die Chlorophyll-Homöostase während des
Blattwachstums bewahrt wird.    

Interessant ist nun die Tatsache, dass obwohl beide Regulatoren BCM1 und BCM2 ähnliche Funktionen haben, die zeitlich unterscheidbare Bildung aber beider Proteine im Verlauf der Blattentwicklung der Pflanzen über die Kontrolle von Chlorophyllsynthese und -Abbau entscheidet. BCM1 wird sehr ausgeprägt im jungen Enwicklungsstadium der Pflanzen produziert, während BCM2 kurzzeitig zu Beginn des Alterungsprozesses der Pflanzen (der Seneszenz) hergestellt wird. Damit besitzen Pflanzen eine fein ausbalancierte posttranslationale Kontrolle des Chlorophyllgehalts und eine eindrucksvolle Möglichkeit, den Chlorophyllgehalt im Verlauf der Blattentwicklung, von der Entstehung bis zur Alterung, zu kontrollieren.

Die Forscher gehen davon aus, dass sich mit Hilfe dieser beiden Regulatoren die Chlorophyllgehalte der Pflanzen wesentlich beeinflussen lassen und damit der grüne Zustand des Blattes verlängert und verzögert werden kann. Die Kontrolle der Bildung von Blüten und der Reifung von Früchten könnte sich so durch die Wirkung von BCM beeinflussen lassen, so die Wissenschaftler.

In weiterer Forschung soll untersucht werden, wie sich die Wirkungsweise der BCM Faktoren auf die Produktion und die Alterungsprozesse von grünem Gemüse und damit auf seine Haltbarkeit und Lagerfähigkeit auswirken kann.

Publikation

Peng Wang, Andreas S. Richter, Julius R. W. Kleeberg, Stefan Geimer, Bernhard Grimm. “Post-translational coordination of chlorophyll biosynthesis and breakdown by BCMs maintains chlorophyll homeostasis during leaf development”.

Doi: doi.org/10.1038/s41467-020-14992-9 
Nature Communications, 11, 1254 (2020)

Link zur Studie

Patent

Means and methods for conferring stay-green phenotype and controlling senescence in plants

Erfinder: Dr. Peng Wang und Prof. Dr. Bernhard Grimm
Amtliches Aktenzeichen 20 163 425.0

Kontakte

Dr. Peng Wang
Institut für Biologie/Pflanzenphysiologie
Humboldt-Universität zu Berlin

Tel.: +49 030 2093-98339
wangpeng@hu-berlin.de

Prof. Dr. Bernhard Grimm
Institut für Biologie/Pflanzenphysiologie
Humboldt-Universität zu Berlin

Tel.: +49 030 2093-98330
bernhard.grimm@rz.hu-berlin.de

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