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Wie sich Pflanzen an Lichtveränderungen anpassen

pressemitteilung vom 17. März 2010

Pflanzen wandeln Sonnenlicht mittels Photosynthese in chemische Energie um, die in Form von Stärke gespeichert wird. Um diesen Umwandlungprozess zu optimieren, müssen sich Pflanzen stets den sich ändernden Lichtbedingungen anpassen. Die Untersuchung dieser Regulationsmechanismen führte zu den Entdeckungen, die zwei Gruppen des NCCR Plant Survival für sich verzeichnen.

Pflanzen besitzen eine ganz ausserordentliche Fähigkeit, den manchmal extremen Schwankungen ihrer Umgebung zu begegnen. «Stellen sie sich eine Pflanze unter einem teilweise bewölktem Himmel vor: Von einer Minute auf die andere ändert sich das Licht von prallem Sonnenschein zum Schatten einer Wolke. Die Pflanze ist einem enormen Wechsel der Lichtstärke ausgesetzt», kommentiert Michel Goldschmidt-Clermont von der Universität Genf, Koautor einer der Forschungsarbeiten, an der auch das Labor von Felix Kessler an der Universität Neuenburg beteiligt war. «Ein bisschen später, wenn die Sonne ihren Stand verändert hat, wird die Pflanze vielleicht im Schatten einer Nachbarpflanze stehen: Das verändert das Lichtspektrum und  hat zur Folge, dass sie plötzlich nur noch ein wenig grünes und dunkelrotes Licht einfangen kann. Kurz darauf steht sie wiederum in der vollen Sonne. Wie Pflanzen sich an solche Veränderungen des Lichtes in ihrer Umgebung anpassen, ist eine faszinierende Frage.»

Beide neuen Entdeckungen betreffen die Erforschung der molekularen Grundlagen dieser Anpassungsmechanismen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Michel Goldschmidt-Clermont untersucht zusammen mit Jean-David Rochaix und dessen Kollegen die Lichtsammlung durch den Antennenkomplex LHCII. In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Linköping (Schweden) konnten die Teams des NCCR Plant Survival das Enzym PPH1 identifizieren, das für die Anpassung des Photosynthese-Apparats an die Lichtveränderungen verantwortlich ist. Man kann diesen Mechanismus mit zwei Motoren vergleichen (Photosystem I und II), die über einen Übertragungsriemen - bzw. in diesem Fall eine Transportkette aus Elektronen - miteinander verbunden sind. Wenn sich das Licht in Farbe oder Intensität verändert, funktionieren diese zwei Motoren nicht mehr im selben Rhythmus. Der Mechanismus, durch den der Ausgleich zwischen den beiden Systemen erfolgt, ist Gegenstand dieser Forschungsarbeiten. Das Enzym PPH1 - eine Phosphatase - trägt dazu bei, das Gleichgewicht zwischen den beiden Photosystemen wiederherzustellen und es gewährleistet die optimale Anpassung der Pflanze an eine Veränderung der Lichtbedingungen. Dieses Ergebnis wurde Ende Februar in der profilierten Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht und durch die Arbeiten des Teams von Dario Leister der Ludwig-Maximilians-Universität München (Deutschland) bestätigt worden.

Christian Fankhauser von der Universität Lausanne war Leiter einer Studie, die diesen Monat in der Revue Plant Physiology publiziert wurde. Sie zeigt die Bedeutung des Proteins PKS2 hinsichtlich der Positionierung und Abflachung der Blätter auf, die gewissermassen als Solarpanelen der Pflanze fungieren. Ziel dieser Justierung ist, dass die Pflanze immer ein Maximum an Licht einfangen kann. Diese Rolle als Feinregulator ist eine Funktion, die vor kurzem vom Lausanner Team belegt wurde. Denn in der Tat wird die Meldung zuerst von den Photorezeptoren (sogenannten Phototropinen) sichergestellt, die die Lichtveränderung feststellen. Die Familie der PKS-Proteine ermöglicht es anschliessend, diese Information von den Photorezeptoren ins Zellinnere weiterzuleiten, um so das Wachstum und die Ausrichtung der Blätter in Übereinstimmung mit den Lichtverhältnissen zu bringen (siehe Foto). «Das Protein PKS2 ist demzufolge entscheidend, denn es ermöglicht der Pflanze ein Maximum an Biomasse zu erlangen; deshalb ist dieses Ergebnis so wichtig», ergänzt Christian Fankhauser.

Beide Entdeckungen betreffen die Grundlagenforschung, deren Ziele es ist die Mechanismen zur Anpassung an Lichtbedingungen bei einer einfachen Modellpflanze, wie Arabidopsis zu erklären. Das Verständnis dieses Phänomens könnte es eines Tages erlauben, Pflanzen zu züchten, die unter ungünstigen Umweltbedingungen einen höheren Ertrag liefern, und damit auf lange Sicht nützlich für die Landwirtschaft sein.

Dr. Michel Goldschmidt-Clermont
Université de Genève
Departments of Molecular Biology
and of Plant Biology
T +41 22 379 6188
michel.goldschmidt-clermont@unige.ch

Prof. Christian Fankhauser
Université de Lausanne
Center for Integrative Genomics
T +41 21 692 3941/3920
christian.fankhauser@unil.ch

Prof. Felix Kessler
Université de Neuchâtel
Laboratory of Plant Physiology
T +41 32 718 22 92
felix.kessler@unine.ch