Ludwig-Maximilians-Universität München
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Pflanzenphysiologie

Die Chloroplasten-Connection

München, 01.09.2016

Wie einfache Blaualgen sich ihren Photosyntheseapparat zusammenbauen, ist ein kompliziertes Puzzle. Ohne ein spezielles kleines Protein, von dem es Varianten auch in Pflanzen gibt, geht dabei jedenfalls reichlich viel schief.

Leuchtendes Grün: Blaualgen in Kultur. Foto: AG Nickelsen

Energie für den Stoffwechsel aus Licht gewinnen zu können – dafür haben sich in der Evolution von Pflanzen, aber auch Grün- und Blaualgen trickreiche Mechanismen entwickelt. Die einzelnen Schritte der Photosynthese benötigen komplizierte molekulare Maschinerien aus Proteinen und Pigmenten, eingelassen in spezialisierte innere Membranen, die Thylakoide, die je nach Organismengruppe recht unterschiedlich zusammengesetzt und angeordnet sind. Wie die Zellen diese Einheiten aufbauen, ist ein kompliziertes Puzzlespiel. LMU-Forscher um Jörg Nickelsen, Professor für Molekulare Pflanzenwissenschaften, konnten nun ein weiteres wichtiges Teil hinzufügen. Sie untersuchten die sogenannte Thylakoidmembranbiogenese in Synechocystis 6803, dem gängigen Modellorganismus für Blaualgen, und beschrieben die Funktionen eines vergleichsweise kleinen Eiweißes, das offenbar in dem vielschichtigen Prozess unverzichtbar ist. Wie CurT an den ersten Schritten des präzise getakteten und regulierten Bauprozesses beteiligt ist, davon berichten sie im renommierten Fachblatt The Plant Cell.

Niedriger Output in Mutanten

Dort wo sich Plasmamembran des Einzellers und Thylakoidmembran räumlich nahekommen, entstehen sogenannte Biogenese-Zentren, berichtet Doktorand Steffen Heinz, Erstautor der Studie. Dort laufen die ersten Assemblierungsschritte für das sogenannte Photosystem II ab, das für die initialen Umsetzung von Lichtenergie in chemische Energie zuständig ist. Und dort findet auch CurT sich in hohen Konzentrationen und formt offenbar die Membranstruktur. Welche Rolle dies spielt, zeigten Heinz und seine Kollegen an Mutanten der Blaualge, denen das Molekül fehlte: Die Thylakoidmembran bekam eine falsche Struktur, Biogenese-Zentren fehlten und der Output an Photosystem-II-Komplexen war deutlich niedriger. Außerdem machte es die Zellen anfälliger gegen osmotischen Stress. Heinz erklärt dies mit einer stabilisierenden Funktion von CurT für die Membranen.

Sehr ähnliche Varianten des Proteins gibt es auch in Pflanzen, etwa dem Modellorganismus Arabidopsis, der Acker-Schmalwand. Auch dort haben sie eine ordnende Funktion: Sie organisieren vor allem die Stapelung der Thylakoidmembranen zu sogenannten Grana. Das Verwirrende ist nur: In Blaualgen gibt es diese Form von Stapeln nicht. Womöglich aber passt dieses Detail zu der ungewöhnlichen Entwicklungslinie, die primitivere photosynthetisch aktive Zellen generell mit Pflanzenzellen verbindet: Danach sind die Photosynthesezentren in Pflanzen, die Chloroplasten, als sogenannte Endosymbionten entstanden. Ursprünglich eigenständige Blaualgen sind im Verlauf der Evolution in andere Zellen eingewandert. Gemeinsam erst haben sie sich zu Blattzellen von Pflanzen entwickelt – mit Chloroplasten, vollgepackt mit Stapeln von Thylakoidmembranen.
The Plant Cell 2016