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21.05.2019

Stress-Kommunikation in der Pflanzenzelle

Berliner und Potsdamer Pflanzenphysiologen haben ein Signalmolekül entdeckt, über das Zellkern und Chloroplasten kommunizieren.

Das grün fluoreszierenden Protein wird im Wildtyp bei Stress in die Plastiden transportiert. Bei Mutanten, denen GUN-1 fehlt, kann es nicht importiert werden und sammelt sich, wie im Bild oben, im Zytoplasma.
Quelle: 
MPI-MP, Guo-Zhang Wu

Pflanzen sind fest im Boden verankert und können sich verändernden Umweltbedingungen wie Trockenheit, wechselnder Lichtintensität oder extremen Temperaturen nicht entkommen. Sie besitzen daher eine ausgeklügelte Wahrnehmung, um frühzeitig auf solche Veränderungen mit Abwehr- oder Schutzmaßnahmen zu reagieren. Um die Maßnahmen in Gang zu bringen, setzt die Pflanzenzelle auf eine effektive Kommunikation zwischen den einzelnen Zellorganellen. Einen entscheidenden Schritt bei der Entschlüsselung der Kommunikation zwischen den Photosynthese betreibenden Plastiden und dem Zellkern ist Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm und der Humboldt-Universität Berlin gelungen. Ihre Ergebnisse wurden im Fachmagazin "Nature Plants" veröffentlicht.

Plastiden senden Signale

Im Zellkern befindet sich ein Großteil der genetischen Informationen, die als Grundlage für die Synthese von Proteinen dienen, darunter auch die Baupläne für wichtige Proteine der Photosynthese. Wenn die Plastiden Proteine zum Aufbau des Photosynthese-Apparates benötigen, senden sie Signale an den Zellkern. Bisher war die Identität der Signalmoleküle weitestgehend unbekannt. Die Pflanzenmolekularbiologen konnten nun das GUN1-Protein als eine zentrale Komponente für die Kommunikation in der Zelle und für den optimalen Import von Proteinen in die Plastiden identifizieren. Das GUN1-Protein wird aktiv, wenn die Entwicklung der Pflanze durch Stress gestört wird. Um die Rolle von GUN1 zu untersuchen, erzeugten die Forscher Mutanten der Ackerschmalwand, denen das GUN1-Protein fehlt. Das Ergebnis: die Mutanten konnten nicht genügend Proteine in die Plastiden transportieren. Zusätzlich schalteten die Pflanzen Gene für Stressproteine an, um zu verhindern, dass die nicht importierten Proteine Schäden in der Zelle anrichten. Die Erkenntnisse eröffnen unter anderem neue Möglichkeiten, die Anpassung von Nutzpflanzen an ungünstige Umweltbedingungen zu verbessern.

Grüne Gentechnik mit Plastiden

Die Erforschung der Funktionsweise der Plastiden ist für die Biotechnologie sehr relevant, denn die gentechnische Veränderung von Plastiden könnte die grüne Gentechnik ökologischer und sicherer machen. Neben dem Zellkern tragen auch Plastiden genetische Informationen. Die DNA der Plastiden zu verändern, hat einen entscheidenden Vorteil: die Auskreuzung von Transgenen ist eingeschränkt, denn Plastiden werden ausschließlich mütterlich vererbt und die meisten Pollen sind frei von den Zellorganellen.

ih

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