Wie Calcium-Ionen in die Zellkraftwerke der Pflanzen gelangen

Calcium ist ein ganz besonderer Nährstoff. In den Zellen der meisten Lebewesen fungieren Calcium-Ionen als sogenannte Second Messenger zur Übermittlung wichtiger Signale. Gleiches gilt gleichermaßen für Tier-, Pflanzen- und Pilzzellen. Durch die Zusammenarbeit mehrerer Forschungsinstitute auf nationaler und internationaler Ebene haben Mitglieder der Arbeitsgruppe „Plant Energy Biology“ an der Universität Münster unter der Leitung von Prof. Markus Schwarzländer und des Teams um Prof. Alex Costa an der Universität Mailand, haben nun die molekulare Maschinerie identifiziert, die die Aufnahme von Calcium-Ionen in die Mitochondrien von Pflanzenzellen ermöglicht – und dass diese Form des Transports eine wichtige Rolle bei ihrer Reaktion auf Berührung spielt. Die Studie wurde jetzt im Fachblatt veröffentlicht Die Pflanzenzelle.

Wie die Calciumionen in die Mitochondrien gelangen

„Es ist erstaunlich, dass ein so einfaches Ion so wichtig für die Informationsübertragung sein kann“, sagt Markus Schwarzländer. „Wir gehen davon aus, dass die Calcium-Ionen dieses Potenzial durch den genauen Ort und Zeitpunkt ihres Einsatzes entfalten.“ Bereits seit 1965 ist bekannt, dass pflanzliche Mitochondrien Calcium-Ionen aufnehmen und so – vermutlich – an Calcium-Signalwegen beteiligt sein können. Wie genau der Transport ermöglicht wird, war allerdings jahrzehntelang umstritten. Für die meisten Ionen ist die innere Mitochondrienmembran undurchlässig, aber bestimmte Proteine ​​in der Membran können dafür sorgen, dass die Calcium-Ionen diese teilweise durchlässige Membran passieren können und somit eine Signalübertragung in diesem Zellorganell ermöglichen.

Bei Tieren wurde die Frage nach der Identität des mitochondrialen Calciumkanals 2011 gelöst, als Forscher der Universitäten Harvard und Padua den Calciumkanal MCU (mitochondrial calcium uniporter) entdeckten. Dieser Durchbruch ebnete den Weg für die Entdeckung, dass auch Pflanzen MCU-Gene enthalten. Unklar war allerdings noch, ob diese Gene auch in der lebenden Zelle Kalziumkanäle bilden – nicht zuletzt, weil die Aufnahme von Kalziumionen in tierische Mitochondrien deutlich andere Muster zeigt als in pflanzliche Mitochondrien.

Die Genexpression zeigt die Bedeutung des Calciumionentransports für Zellkraftwerke

Um die Rolle von MCUs in Pflanzenzellen aufzuklären, mussten die Münsteraner Forscher drei der sechs MCU-Gene in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana gleichzeitig deaktivieren. Dadurch schränkten sie die Leistungsfähigkeit der zellulären Maschinerie ein und konnten so erstmals an einer lebenden Pflanze beobachten, zu welchen Folgen diese Einschränkung führt. Dazu nutzten sie ein fluoreszierendes Protein, das Änderungen der Konzentration von Calciumionen in den Mitochondrien in Form eines Lichtsignals anzeigt.

Zu sehen war, dass durch die Deaktivierung der MCU-Gene deutlich weniger Calcium-Ionen in die Mitochondrien gelangten. Damit haben die Forscher nicht nur gezeigt, dass lebende Pflanzenzellen – ähnlich wie tierische Zellen – ihre Calcium-Ionen über die MCU-Kanäle in die Mitochondrien transportieren. „Außerdem konnten wir zeigen“, sagt Markus Schwarzländer, „dass dies der mit Abstand wichtigste Weg ist, um Calcium-Ionen schnell in die Mitochondrien zu transportieren. Damit haben wir jetzt die Möglichkeit, die Signalübertragung von Calcium-Ionen in die Zellenergie zu steuern Sendern und damit möglicherweise die verschlüsselten Informationen beeinflussen.“

Nach dieser bahnbrechenden Beobachtung versuchte das Team herauszufinden, welche Rolle das mitochondriale Kalzium für die Pflanze und ihre Fitness spielt. Bei Tieren regulieren Calcium-Ionen in den Mitochondrien die Energieproduktion – bei Pflanzen gab es jedoch keine Hinweise auf eine ähnliche Funktion.

Durch die Analyse der Expression des gesamten Pflanzengenoms konnten die Forscher nun nachweisen, dass die verminderte Transportkapazität für Calcium-Ionen einen Einfluss auf die Regulation des Pflanzenhormons Jasmonsäure hat. Jasmonsäure ist ein pflanzliches Abwehrhormon, das durch Aktivierung bei einer Verletzung der Pflanze vor Fraßfeinden schützt. Jasmonsäure steuert unter anderem auch die Seneszenz – also das geregelte Absterben von Gewebe – sowie Reaktionen auf mechanische Reize wie Berührungen.

Die von den Forschern manipulierten Pflanzen zeigten eine leicht verzögerte Seneszenz: In dunkler Umgebung verloren die Blätter ihre grüne Pigmentierung weniger schnell. Sie zeigten auch eine deutlich schwächere Reaktion auf Berührung. „Besonders überraschend für uns“, sagt Schwarzländer, „ist, dass es offensichtlich einen Zusammenhang zwischen dem Transport von Calcium-Ionen in die Mitochondrien und dem durch die Jasmonsäure gesteuerten Regulationsprozess gibt Calcium-Ionen in den Mitochondrien, die in Tieren und Pflanzen durch die Evolution konserviert wurden, können für neue Funktionen genutzt werden.“

Eine gezielte Umprogrammierung des mitochondrialen Kalziumtransports scheint ein interessanter Weg zu sein, da die Steuerung der Reaktion auf Berührungen nützlich sein könnte – zum Beispiel in der Landwirtschaft, wo Pflanzen oft eng aneinander gepflanzt werden.

Untersuchungen mit synthetischen Biosensoren

Eine der zentralen Methoden der jetzt veröffentlichten Studie war die „In-vivo-Biosensorik“. Hier werden Proteine ​​mit molekularbiologischen und biotechnologischen Methoden so gestaltet, dass sie in lebenden Organismen als synthetische Messsensoren dienen. Wenn Pflanzen genetisch verändert werden, stellen sie selbst einen Sensor her, der Live-Informationen über den Zustand von Zellen in lebenden Pflanzen liefert. Darüber hinaus können diese biologischen Sensoren zu Messzwecken in bestimmten Bereichen der Zelle eingesetzt werden. Dies wird erreicht, indem sie genetisch in einem bestimmten Kompartiment der Zelle platziert werden. Dies mit traditionellen Methoden zu tun, ist schwierig, da bei solchen Methoden die Zelle typischerweise aufgebrochen wird, was dazu führt, dass die gesamte Organisation innerhalb der Zelle verloren geht.