Forscher der Humboldt-Universit?t entschlüsseln, wie Blütenpflanzen ihren Stoffwechsel drosseln
Im Frühling und Sommer recken sich Blütenpflanzen nach dem Licht, um genügend Sonnenlicht zu empfangen. Die Aufgabe, diese ?Lichtnahrung" aufzunehmen und zu deren Umwandlung in biochemische Energie beizutragen, übernimmt der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll: Photosynthese hei?t der von ihm vermittelte Prozess, der die Pflanze mit Energie versorgt und so Wachstum und die passgenaue Synthese von Molekülen über biochemische Reaktionen erm?glicht. Einer dieser Stoffwechselprozesse ist der Tetrapyrrolbiosyntheseweg, in dem das lebensnotwendige Chlorophyll ebenso wie das Molekül H?m produziert werden. H?m ist an vielen Reaktionen in der Pflanze beteiligt und dient unter anderem zur Stressabwehr. Was aber passiert, wenn das Licht des Tages schwindet und die Photosynthese zum Erliegen kommt?
Wie die Tetrapyrrolsynthese in bedecktsamigen Pflanzen im Tagesverlauf reguliert wird, untersuchen die Pflanzenphysiologen Dr. Andreas Richter und Prof. Bernhard Grimm von der Humboldt-Universit?t zu Berlin. Ausgangspunkt ihrer Forschung ist die Tatsache, dass Pflanzen ihren Stoffwechsel ebenso wie ihre Lebensweisen an die ?u?eren Gegebenheiten pr?zise anpassen müssen. ?In den Bedecktsamern, den Angiospermen, wird des nachts die Synthese des Chlorophylls abgeschaltet, w?hrend die H?msynthese fortgesetzt wird. Am Tag muss die Synthese beider Produkte permanent dem Bedarf angepasst werden", erkl?rt Bernhard Grimm. Denn ohne bedarfsgerechte Regulierung würden die in der Tetrapyrrolbiosynthese entstehenden Stoffe überproduziert und die Pflanze sch?digen. Wie nun gelingt es den Blütenpflanzen, die Produktion regulatorisch pr?zise zu drosseln?
Prof. Dr. Bernhard Grimm und Dr. Andreas Richter zeigen in einer im Wissenschaftsjournal eLife ver?ffentlichten Studie, dass H?m mittels eines Feedback-Kontrollmechanismus regulierend eingreift und so für einen ausbalancierten Tetrapyrrolsyntheseweg sorgt. Wird H?m im ?berfluss produziert, so fanden die Forscher heraus, dient dieses als Signal für die Pflanze, in eine Art Ruhemodus umzuschalten. Hintergrund ist, dass die Glutamyl-tRNA Reduktase (GluTR), das erste Enzym des Tetrapyrrolstoffwechsels, durch ein Bindeprotein stabilisiert wird. Tritt überschüssiges H?m in der Zelle auf, wird es von dem GluTR-Bindeprotein gebunden. Dadurch schw?cht sich die Interaktion zwischen Bindeprotein und GluTR ab, sodass GluTR für den Abbau durch Proteasen zug?nglich wird. Damit wird die Synthese von Tetrapyrrolvorstufen vermindert und die Produktion von Chlorophyll und H?m selbst kommt zum Erliegen.
Die Wissenschaftler zeigen mit ihrer Forschung, was lange vermutet war, bislang aber nicht sicher best?tigt werden konnte: ?Schon seit mehr als 30 Jahren wird postuliert, dass H?m nicht nur in Tieren, sondern auch in Pflanzen zur Feedback-Kontrolle in der Tetrapyrrolbiosynthese beitr?gt. Das konnten wir mit dieser Studie jetzt experimentell nachweisen", freut sich Bernhard Grimm. Der Pflanzenphysiologe ist überzeugt, dass die Aufkl?rung des Mechanismuses zukünftig von gro?em Nutzen sein k?nnte. ?Das wird der Forschung über den Einfluss H?m-vermittelter Feedback-Kontrolle des pflanzlichen Stoffwechsels zur Regulation von Wachstum und Ertrag von Kulturpflanzen Auftrieb verleihen", so der Wissenschaftler.
Publikation
Andreas Richter, Claudia Banse, Bernhard Grimm. "The GluTR-binding protein is the heme-binding factor for feedback control of glutamyl-tRNA reductase" doi: 10.7554/eLife.46300
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Prof. Dr. Bernhard Grimm
Institut für Biologie
Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU)
Tel.: 030 2093-46312
bernhard.grimm.@hu-berlin.de