Forscher der Universität Bayreuth und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben einen bisher unbekannten Mechanismus bei der Wahrnehmung von Licht und Wärme bei Pflanzen beschrieben. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis pflanzenphysiologischer Prozesse bei. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Die Pflanzenzelle.
Pflanzen können Licht und Wärme über sogenannte Phytochrome wahrnehmen und über diese Pigmente lebenswichtige Reaktionen wie Wachstum auslösen. Der Klimawandel und stetig steigende Temperaturen können den Pflanzenstoffwechsel stören, was das Wachstum verlangsamt und zum Absterben von Pflanzen – auch Nutzpflanzen – führen kann.
Vor diesem Hintergrund ist ein Verständnis der molekularen Grundlagen der Mechanismen, die die Licht- und Wärmewahrnehmung in Pflanzen steuern, unerlässlich. Die Ergebnisse können auch zu Fortschritten in der Steuerung der Zellaktivität durch Licht (Optogenetik), in der Biotechnologie und in der Grundlagenforschung führen.
Pflanzen müssen sich ständig an unterschiedliche Umweltbedingungen anpassen, beispielsweise an unterschiedliche Temperatur- und Lichtverhältnisse im Laufe des Tages. Diese Reize werden auf molekularer Ebene über Phytochrome wahrgenommen, die ihren Zustand ändern, wenn sich die Temperatur oder die Wellenlänge ändert. Sie interagieren mit anderen Proteinen wie Phytochrom-interagierenden Faktoren (PIFs), die physiologische Reaktionen auf die Reize auslösen, beispielsweise Wachstum.
Phytochrome reagieren auf rotes Licht: Im Dunkeln befinden sich Phytochrome im inaktiven Pr-Zustand; Bei Bestrahlung mit rotem Licht werden sie in den aktiven Pfr-Zustand umgewandelt. Diese Zustandsänderung kann durch Temperaturänderung oder Bestrahlung mit fernrotem Licht zwischen 710 und 740 nm Wellenlänge rückgängig gemacht werden. Diese Reaktion verdeutlicht die Doppelfunktion von Phytochromen bei der Wahrnehmung von Wärme und Licht, nämlich als Thermorezeptoren und Photorezeptoren.
Ein zentraler Bestandteil der Thermorezeption von Phytochrom B der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ist die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit des Übergangs vom Pfr-Zustand in den Pr-Zustand. Bei Temperaturen zwischen 4°C und 27°C beschleunigt sich diese Umwandlung um mehr als das Zehnfache. Allerdings war bisher unbekannt, inwieweit die Interaktion zwischen Phytochrom B und verschiedenen PIFs zur Thermorezeption von Pflanzen beitragen kann.
Hier kamen Prof. Dr. Andreas Möglich und Doktorand Chengwei Yi von der Arbeitsgruppe Photobiochemie der Universität Bayreuth ins Spiel. Gemeinsam mit Forschern der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf untersuchten sie die Geschwindigkeit der Bildung und Auflösung von Komplexen aus Phytochrom B und verschiedene PIFs unter rotem und dunkelrotem Licht und bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Auflösung der Komplexe beschleunigte sich zwischen 15°C und 30°C um ein Vielfaches, während dies bei der Komplexbildung nicht zutraf.
Bei der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Phytochrom und PIF unter rotem Licht stießen die Forscher auf einen unerwarteten Effekt: Unter starkem Dauerlicht nahm das Ausmaß der Komplexbildung mit der Intensität des roten Lichts ab, anstatt wie erwartet zuzunehmen. Der Grund dafür ist eine schnelle, rotlichtgesteuerte und bidirektionale Umwandlung zwischen den Pr- und Pfr-Zuständen.
„Pflanzliche Phytochrome können daher über einen zusätzlichen, bisher unbekannten und daher unerforschten molekularen Mechanismus unterschiedliche Rotlichtintensitäten und -temperaturen in physiologische Reaktionen umwandeln“, sagt Chengwei Yi, Erstautorin der Studie.
Die Ergebnisse ermöglichen Fortschritte bei der Nutzung pflanzlicher Phytochrome in der Biotechnologie, beispielsweise zur präzisen Steuerung der Genaktivierung für die Produktion von Proteinen. Sie haben auch Einfluss auf die Wahrnehmung und Integration von Licht- und Temperatursignalen in Pflanzen.
Weitere Informationen:
Chengwei Yi et al, Plant Phytochrome Interactions Decode Light and Temperature Signals, Die Pflanzenzelle (2024). DOI: 10.1093/plcell/koae249