Die Photosynthese ist eine der wichtigsten chemischen Reaktionen, nicht nur für Pflanzen, sondern für die ganze Welt. Der Einfluss und damit die Bedeutung der Photosynthese sind kaum zu unterschätzen. Daher ist es sinnvoll, dass die Wissenschaft seit langem von den Reaktionen und physikalischen Phänomenen fasziniert ist, die die Photosynthese hervorrufen. Eines dieser Phänomene ist der Ferredoxin/Thioredoxin (Fd/Trx)-Weg.
Dem vor etwa einem halben Jahrhundert entdeckten Fd/Trx-Weg wird seit langem zugeschrieben, dass er viele lichtabhängige Reaktionen in Chloroplasten reguliert, dem Organ im Blatt, in dem die Photosynthese stattfindet. Es wird seit langem angenommen, dass der Fd/Trx-Weg für Pflanzen äußerst wichtig ist, da er mehrere Enzyme in Chloroplasten als Reaktion auf Licht aktiviert. Diese Annahmen wurden jedoch aus zwei Gründen in Frage gestellt. Der erste ist auf die Entdeckung anderer Wege im Blatt zurückzuführen, die auch Chloroplastenenzyme aktivieren könnten. Zweitens gab es bisher keine Studien, die untersucht haben, wie sich die Unterdrückung des Fd/Trx-Signalwegs auf Pflanzen auswirkt.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von außerordentlichem Professor Keisuke Yoshida die CRISPR/Cas9-Technologie verwendet, um ein mutiertes Exemplar der Pflanze Arabidopsis thaliana herzustellen. Diese Probe wurde gentechnisch verändert, um ihren Fd/Trx-Signalweg vollständig defekt zu machen. Laut Dr. Yoshida: „Durch die Erstellung eines Modells mit einem defekten Fd/Trx-Weg konnten wir seine tatsächliche biologische Bedeutung in Pflanzen aufdecken, was zu einigen aufregenden Entdeckungen geführt hat.“ Das Papier erschien in Zeitschrift für Biologische Chemie.
Die Forscher untersuchten diese neuen mutierten Exemplare und verglichen sie mit den nicht mutierten Pflanzen, um den Unterschied zu sehen und so die Auswirkungen des Fd/Trx-Signalwegs zu verstehen. Um die Rolle des Signalwegs bei der Aktivierung lichtabhängiger Reaktionen im Chloroplasten zu beurteilen, bestrahlten die Forscher die Pflanzen mit unterschiedlichen Lichtintensitäten und überprüften dann den Zustand der Enzyme im Chloroplasten.
In der wilden, nicht mutierten Pflanze waren die Enzyme von einem oxidierten in einen reduzierten Zustand übergegangen. Im Gegensatz dazu hatte in den mutierten Pflanzen keines der Enzyme seinen Zustand geändert. Die mutierten Pflanzen zeigten auch abnormal entwickelte Chloroplasten und eine reduzierte Fähigkeit zur Photosynthese. ATP-Synthase war das einzige Enzym, das im Mutantenstamm eine reduzierende Reaktion zeigte. Dieses Enzym ist der Schlüssel zur Synthese von ATP, dem Energiespeichermolekül aller Lebewesen. Die ATP-Synthase-Aktivierung erfolgte über verschiedene Wege und wurde durch den defekten Fd/Trx-Weg nicht stark beeinflusst.
Zusammenfassend fanden die Forscher heraus, dass der Fd/Trx-Weg für viele lichtabhängige Aktivierungsreaktionen von Enzymen in Blättern unverzichtbar ist. Der Fd/Trx-Weg ist auch wichtig für eine effiziente Photosynthese, die für ein normales Pflanzenwachstum entscheidend ist.
Laut Dr. Yoshida „haben uns die Erkenntnisse, die wir aus dieser Studie über die Funktionsweise und Bedeutung des Fd/Trx-Signalwegs in Pflanzen gewonnen haben, ein tieferes Verständnis der komplexen Mechanismen vermittelt, die in Pflanzen ablaufen. Diese Forschung drängt uns auch, tiefer zu schauen und beantworten Sie viele andere Fragen im Zusammenhang mit dem Photosyntheseprozess, damit wir diesen beeindruckenden Prozess, der die ganze Welt antreibt, vollständig verstehen können.“
Mehr Informationen:
Der Ferredoxin/Thioredoxin-Weg stellt eine unverzichtbare Redox-Signalkaskade für die lichtabhängige Reduktion von Chloroplastenstromaproteinen dar, Zeitschrift für Biologische Chemie (2022). DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102650. www.jbc.org/article/S0021-9258(22)01093-6/fulltext