Grünes Energiemanagement - Wie sich Pflanzen auf die Lichtbedingungen einstellen

Der LMU-Biologe Professor Dario Leister und seine Kollegen haben diesen Vorgang in der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana untersucht. "Es hat sich gezeigt, dass die Photosynthese je nach Lichtbedingungen zwischen zwei Funktionsweisen wechseln kann, dem 'State 1' und 'State 2'", berichtet Leister. "Vor einigen Jahren haben wir schon nachgewiesen, dass der Übergang von State 1 zu State 2 von dem Enzym STN7 abhängt, das Phosphatgruppen an bestimmte Proteine anhängt."

Nun konnten die Forscher zusammen mit italienischen Kollegen ein weiteres Enzym identifizieren, das diese Modifikation rückgängig macht - und damit das gesamte System wieder in den State 1 befördert. Diese Entdeckung ist nicht nur ein entscheidender Baustein für das Verständnis der Photosynthese, sondern könnte auch helfen, das Wachstum von Pflanzen zu verbessern. (PLoS Biology, 26. Januar 2010)

Die Photosynthese-Maschinerie ist in spezialisierte Membranen eingebettet. Diese sogenannten Thylakoide befinden sich in den Chloroplasten grüner Pflanzenteile und enthalten zwei Typen von Photosystemen, PSI und PSII. Jedes davon besteht aus einem Antennenkomplex und einem Reaktionszentrum. Der Antennenkomplex fängt Lichtenergie ein und überträgt sie auf das Reaktionszentrum. Dadurch werden Elektronen aus dem Chlorophyll-Molekül auf weitere Moleküle übertragen, was Energie für zelluläre Aktivitäten freisetzt.

Die zwei Photosysteme enthalten verschiedene Antennenkomplexe, LHCI für PSI und LHCII, das mit beiden Photosystemen zusammenarbeiten kann. Die beiden Photosysteme unterscheiden sich in ihrer Sensitivität gegenüber Licht in verschiedenen Wellenlängen: PSII reagiert besonders sensitiv auf eine Wellenlänge von 680 Nanometern (nm), das Absorptionsmaximum von PSI liegt bei 700 nm. "Die beiden Photosysteme arbeiten aber hintereinander", so Leister. "PSII überträgt angeregte Elektronen auf PSI und übermittelt dadurch Energie. Schließlich muss die Verteilung der Anregungsenergie zwischen den Photosystemen für eine optimale Wirkung ausgeglichen werden. Und das wird zum Teil durch einen Wechsel zwischen State 1 und State 2 erreicht."

Reagiert PSII besonders stark auf das einfallende Licht, werden innerhalb von Minuten Phosphatgruppen an einen Teil der LHCII-Moleküle angehängt. Damit geht das System über in den State 2, der mit der Wanderung phosphorylierter LHCII Moleküle zu PSI verbunden ist. "Wir haben vor Kurzem STN7 als das für die Übertragung der Phosphatgruppen an LHCII verantwortliche Enzym identifiziert", berichtet Leister. "Wir haben auch gezeigt, dass STN7 aktiviert wird, wenn eine Überlastung bei den Molekülen auftritt, die Elektronen auf PSI übertragen." Binden die phosphorylierten LHCII-Proteine an PSI, kann dieses mehr Licht nutzen und mehr Elektronen von PSII übernehmen - um so die Überlastung zu mildern und die Aktivitäten der zwei Photosysteme anzugleichen.

Der umgekehrte Übergang von State 2 zu State 1 hängt davon ab, dass die Phosphatgruppen von LHCII entfernt werden. Die Forscher konnten nun das verantwortliche Enzym, eine Phosphatase, identifizieren. "Es gab neun bekannte Phosphatasen in den Chloroplasten", berichtet Leister. "Wir haben zunächst die Gene, die die Bauanleitung dieser Enzyme tragen, inaktiviert, was aber keinen Effekt beim Übergang von State 2 zu State 1 zeigte." Das Team erweiterte die Suche und stieß dabei auf eine weitere Phosphatase, At4g27800. Ein Volltreffer: Die Forscher konnten bestätigen, dass dieses Protein, das sie in TAP38 umbenannten, mit den Thylakoiden assoziiert ist.

"Wir konnten zudem Mutanten identifizieren, denen dieses Protein fehlt", so Leister. "Diese Mutanten bleiben dauerhaft in State 2, und zwar unabhängig von den Lichtverhältnissen. Genau das ist ja auch zu erwarten, wenn TAP38 für die Entfernung der Phosphatgruppe zuständig ist." Tatsächlich wurden die Phosphatgruppen der modfizierten LHCII-Proteine erst entfernt, als reines TAP38 zugegeben wurde. Diese Entdeckung fügt nun einen wichtigen Baustein zum Verständnis davon, wie Pflanzen den Übergang von einem State zum anderen vornehmen.

Es gibt aber auch praktische Auswirkungen. Pflanzen, die bei Niedriglicht wachsen, bevorzugen State 2. "Ist das Gen für TAP38 inaktiviert, wachsen sie schneller als die normalen Pflanzen", erklärt Leister. "Das hat wahrscheinlich damit zu tun, dass das Licht zwischen beiden Photosystemen gleichmäßiger verteilt wird." Möglicherweise könnte dieser elegante Weg des Energiemanagements, das Leisters Team nun entschlüsselt hat, eines Tages auch helfen, die Energiekosten zu senken. Schließlich funktionieren Solaranlagen nach einem ähnlichen Prinzip. (suwe)

Publikation:
"Role of plastid protein phosphatase TAP38 in LHCII dephosphorylation and thylakoid electron flow" - Mathias Pribil, Paolo Pesaresi, Alexander Hertle, Roberto Barbato und Dario Leister - PloS Biology, 26. Januar 2010 (idw)