Die Geheimsprache der Photosynthese entschlüsseln

Seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler ratlos über die Signale, die Pflanzen selbst senden, um die Photosynthese zu initiieren, den Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Zucker. Forscher von UC Riverside haben nun diese zuvor undurchsichtigen Signale entschlüsselt.

Seit einem halben Jahrhundert wissen Botaniker, dass die Kommandozentrale einer Pflanzenzelle, der Zellkern, Anweisungen an andere Teile der Zelle sendet und sie zwingt, die Photosynthese voranzutreiben. Diese Anweisungen liegen in Form von Proteinen vor, und ohne sie werden Pflanzen nicht grün oder wachsen nicht.

„Unsere Herausforderung bestand darin, dass der Zellkern Hunderte von Proteinen codiert, die Bausteine ​​für die kleineren Organellen enthalten. Zu bestimmen, welche das Signal für sie sind, die Photosynthese auszulösen, war wie die Suche nach Nadeln im Heuhaufen“, sagte UCR-Botanikprofessorin Meng Chen.

Der Prozess, mit dem die Wissenschaftler in Chens Labor vier dieser Proteine ​​gefunden haben, ist nun in a dokumentiert Naturkommunikation Papier.

Zuvor hatte Chens Team gezeigt, dass bestimmte Proteine ​​in Pflanzenkernen durch Licht aktiviert werden und die Photosynthese in Gang setzen. Diese vier neu identifizierten Proteine ​​sind Teil dieser Reaktion und senden ein Signal, das kleine Organe in Chloroplasten umwandelt, die wachstumsfördernde Zucker erzeugen.

Chen vergleicht den gesamten Photosyntheseprozess mit einer Symphonie.

„Die Dirigenten der Symphonie sind Proteine ​​im Zellkern, sogenannte Photorezeptoren, die auf Licht reagieren. Wir haben in dieser Arbeit gezeigt, dass sowohl rote als auch blaue lichtempfindliche Photorezeptoren die Symphonie initiieren. Sie aktivieren Gene, die die Bausteine ​​der Photosynthese codieren.“

Die einzigartige Situation in diesem Fall ist, dass die Symphonie in zwei „Räumen“ in der Zelle aufgeführt wird, sowohl von lokalen (Kern) als auch von entfernten Musikern. Als solche müssen die Leiter (Fotorezeptoren), die nur im Zellkern vorhanden sind, den entfernten Musikern einige Nachrichten über die Entfernung senden. Dieser letzte Schritt wird von den vier neu entdeckten Proteinen gesteuert, die vom Zellkern zu den Chloroplasten wandern.

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health finanziert, in der Hoffnung, dass sie bei der Heilung von Krebs helfen wird. Diese Hoffnung basiert auf Ähnlichkeiten zwischen Chloroplasten in Pflanzenzellen und Mitochondrien in menschlichen Zellen. Beide Organellen erzeugen Treibstoff für das Wachstum und beide beherbergen genetisches Material.

Derzeit beschreiben viele Forschungsarbeiten die Kommunikation von Organellen zurück zum Zellkern. Wenn etwas mit den Organellen nicht stimmt, senden sie Signale an das „Hauptquartier“ des Zellkerns. Viel weniger ist über die aktivitätsregulierenden Signale bekannt, die vom Zellkern an die Organellen gesendet werden.

„Der Zellkern kann die Expression von Mitochondrien- und Chloroplastengenen auf ähnliche Weise kontrollieren“, sagte Chen. „Die Prinzipien, die wir vom Zellkern-zu-Chloroplasten-Kommunikationsweg lernen, könnten unser Verständnis davon erweitern, wie der Zellkern mitochondriale Gene und ihre Fehlfunktion bei Krebs reguliert“, sagte Chen.

Die Bedeutung des Verständnisses, wie die Photosynthese gesteuert wird, hat Anwendungen jenseits der Krankheitsforschung. Menschliche Siedlungen auf einem anderen Planeten würden wahrscheinlich eine Indoor-Landwirtschaft und die Schaffung eines Beleuchtungssystems erfordern, um die Erträge in dieser Umgebung zu steigern. Noch unmittelbarer stellt der Klimawandel die Pflanzenzüchter auf diesem Planeten vor Herausforderungen.

„Der Grund, warum wir auf diesem Planeten überleben können, ist, dass Organismen wie Pflanzen Photosynthese betreiben können. Ohne sie gibt es keine Tiere, einschließlich Menschen“, sagte Chen. „Ein vollständiges Verständnis und die Fähigkeit, das Pflanzenwachstum zu manipulieren, ist für die Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung.“