Ein bisher unbekanntes Protein macht Pflanzen zu Zwergen

Arabidopsis thaliana gehört zur Familie der Kreuzblütler und dient Forschern weltweit als gemeinsamer Modellorganismus, der vergleichsweise einfache Analysen der Erbinformation und der damit verbundenen Funktionen erlaubt. Das Arabidopsis-Genom wurde vor etwa 20 Jahren vollständig sequenziert. Obwohl die Pflanzen zu den am intensivsten untersuchten Organismen gehören, offenbaren sie immer noch bisher unbekannte Komponenten der Pflanzenregulation. An der Entschlüsselung dieser Prozesse arbeiten an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Forscher des Lehrstuhls für Botanische Genetik und Molekularbiologie unter der Leitung von Professor Frank Kempken.

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler des Botanischen Instituts nun eine neue Komponente dieser Regulation charakterisiert: Die große Familie der pflanzlichen PPR-Proteine ​​wurde bisher hauptsächlich an der RNA-Reifung in Mitochondrien beteiligt. Nun ist es dem Kieler Forscherteam gelungen, ein neues Protein zu identifizieren. Dieses spezielle Protein ist Teil der mitochondrialen Ribosomen und an der Proteinbiosynthese beteiligt. Obwohl der genaue Mechanismus noch unbekannt ist, konnten die Autoren zeigen, dass das Protein wahrscheinlich in die Wachstumsregulation eingreift. Wird sie künstlich abgeschaltet, zeigt Arabidopsis ein verzögertes und verkümmertes Wachstum, obwohl die volle Funktionsfähigkeit der Pflanze erhalten bleibt. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler, die auch im Kiel Plant Center (KPC) tätig sind, kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.

In Mitochondrien aktive PPR-Proteine

Erbinformationen finden sich nicht nur im Zellkern, sondern auch in Zellorganellen wie den Mitochondrien. PPR-Proteine ​​werden von Genen im Zellkern kodiert und als sogenannte Boten-RNA an die Ribosomen übertragen. Dort werden sie im Zuge der Translation schließlich in Proteine ​​übersetzt. Die synthetisierten PPR-Proteine ​​werden dann zu den Mitochondrien transportiert, wo sie an der Steuerung einer Vielzahl von Lebensvorgängen beteiligt sind.

Kürzlich haben Forscher entdeckt, dass die Untergruppe der rPPR-Proteine ​​in mitochondrialen Ribosomen vorkommt. Da Mitochondrien ursprünglich autarke einzellige Organismen in der frühen Evolution des Lebens waren, verfügen sie über eine unabhängige Genexpressionskapazität. Um die Regulation der Erbinformation in heutigen Pflanzen besser zu verstehen, haben die Kieler Uni-Forscher ein bestimmtes gemeinsames mitochondriales rPPR-Protein analysiert, das vom sogenannten DWEORG1-Gen kodiert wird.

„Wir haben Hinweise gefunden, die auf eine direkte Rolle von DWEORG1 bei der mitochondrialen Translation hindeuten“, sagte Dr. Stefanie Grüttner, wissenschaftliche Mitarbeiterin in Kempkens Gruppe. „Pflanzen mit experimentell niedergeschlagenem DWEORG1 zeigten eine reduzierte Translationseffizienz, was sich auch am deutlich reduzierten Auftreten einer Reihe von Proteinen zeigte.“

DWEORG1 scheint jedoch keine grundlegende Rolle für die Funktion des Organismus als Ganzes zu spielen, da die manipulierten Pflanzen nur eine Wachstumsverzögerung und eine insgesamt geringere Größe aufwiesen. Ihre Gesamtform und ihre Lebensprozesse wurden dagegen nicht beeinträchtigt. „Wir vermuten, dass DWEORG1 für ein bisher unbekanntes rPPR-Protein verantwortlich ist, das an der Synthese einer Reihe von Pflanzenproteinen beteiligt ist und damit eine wichtige stabilisierende Funktion für die Genexpression in Mitochondrien spielt“, sagt Grüttner.

Mögliche Ansätze für die Pflanzenzüchtung

Ein besseres Verständnis der genetischen Grundlagen der Pflanzenregulation ist von grundlegender Bedeutung, um beispielsweise die Anfälligkeit oder Resistenz verschiedener Pflanzen gegenüber dem Klimawandel und ihre Reaktionen auf die damit verbundenen Veränderungen der landwirtschaftlichen Wachstumsbedingungen zu beurteilen. Pflanzenforscher auf der ganzen Welt beschäftigen sich daher intensiv mit der genetischen Regulation von Pflanzenwachstum und Lebensvorgängen.

„Die Erforschung der Rolle von rPPR-Proteinen in Mitochondrien steht noch ganz am Anfang. Unsere neue Arbeit zur mitochondrialen Genregulation in Arabidopsis thaliana trägt einen wichtigen Baustein zur Entwicklung dieses Wissens bei, das zukünftig auch in der Pflanzenzüchtung Anwendung finden könnte“, sagt sie Kempken, KPC-Mitglied und Leiter des Lehrstuhls für Botanische Genetik und Molekularbiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.