(08.06.2020) BERLIN: Blütenpflanzen können ihren Chlorophyllgehalt flexibel an verschiedene Gegebenheiten anpassen. Den Auf- und Abbau des grünen Pigments müssen sie dafür sehr genau steuern. Ein neu entdeckter Regulator greift gleichzeitig in beide Stoffwechselwege ein.
Das Leben ist grün! Zumindest ist der grüne Pflanzenfarbstoff Chlorophyll das häufigste Pigment auf Erden. In unseren Breiten ist die Chlorophyllmenge jedoch stark jahreszeitenabhängig: Im Herbst bauen mehrjährige Pflanzen den Farbstoff ab, um die in den Proteinen der Photosysteme gebundenen Stickstoffreserven zu mobilisieren.
Daneben können sich Pflanzen aber auch kurzfristig auf verschiedene Lichtverhältnisse einstellen, indem sie Chlorophyllsynthese und -abbau gegeneinander austarieren. Dieser fundamentale Prozess ist aufgrund seiner Komplexität trotz intensiver Forschung noch nicht im Detail verstanden und immer noch für Überraschungen gut: So haben Forscher um Bernhard Grimm und Peng Wang von der Humboldt-Universität zu Berlin nun eine Gruppe ungewöhnlicher Regulatoren entdeckt. Die Pflanzenphysiologen beschäftigen sich unter anderem mit der Synthese von Tetrapyrrolen, zu denen Chlorophyll, aber auch das eisenhaltige Häm gehören. „Dabei arbeiten wir insbesondere an posttranslationalen Veränderungen der Enzyme der Tetrapyrrolsynthese“, erklärt Arbeitsgruppenleiter Grimm.
Blütenpflanzen unterscheiden sich von anderen Pflanzen dadurch, dass sie nur im Licht Chlorophyll produzieren. Das ist zwar clever, weil es Energie spart, bedeutet aber auch, dass die Pflanzen die Synthese der Chlorophyllvorstufen strikt regulieren müssen, wie Grimm verdeutlicht: „Ansonsten würden sich die Chlorophyllvorstufen, die wie das fertige Pigment Lichtenergie aufnehmen können, im Dunklen ansammeln. Da sie noch nicht ins Photosystem eingebaut sind, würden sie die Energie an andere Verbindungen abgeben und so schädliche reaktive Sauerstoffspezies erzeugen.“
Für ihre kürzlich in Nature Communications (11: 1254) erschienene Studie untersuchten die Forscher Blätter der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) und fanden ein typisches Expressionsmuster: Während in jungen Blättern hauptsächlich Gene für den Chlorophyllaufbau aktiv waren, galt das in alten Blättern vor allem für Gene des Chlorophyllabbaus. Um posttranslationale Regulatoren der Chlorophyllsynthese aufzuspüren, suchte Erstautor Wang nach Genen, die gleichzeitig mit bekannten Synthesegenen exprimiert werden. Dabei stieß er auf das Gen für BCM1 (Balance of Chlorophyll Metabolism). Insbesondere wurde dieses mit dem GUN4-Gen koexprimiert, das für einen Regulator der Chlorophyllsynthese codiert. GUN4 stimuliert die Aktivität der Magnesium-Chelatase, die das Magnesiumion in den Tetrapyrrolring einbaut und damit ein Schlüsselenzym der Chlorophyllsynthese ist. „Möglicherweise transportiert GUN4 das Substrat für die Magnesium-Chelatase heran und sorgt auch dafür, dass das Syntheseprodukt gleich an das nächste Enzym weitergegeben wird“, vermutet Grimm. In Samenbanken fand Postdoktorand Wang eine entsprechende Arabidopsis-Mutante, die nur schwach grüne Blätter bildete, und die Pflanzengenetiker ermutigte, mit BCM1 weiterzuarbeiten. Denn: „So sehen viele Mutanten aus, die wenig Chlorophyll bilden.“
Als integrales Membranprotein fanden die Berliner BCM1 in der Thylakoidmembran von Chloroplasten und dort insbesondere in den Stroma-Lamellen – dem Ort, an dem sich bevorzugt Proteine vorübergehend sammeln, die für den Aufbau der Photosyntheseapparate notwendig sind. Ein genauer Blick in die BCM1-Knockout-Mutante zeigte, dass tatsächlich weniger Magnesium-gebundene Tetrapyrrole vorlagen. Dass die Eisen-haltigen Häme nicht beeinträchtigt waren, deutete darauf hin, dass der Defekt mit dem Einbau des Magnesiumions zusammenhing – eine Vermutung, die durch die Koexpression von BCM1 mit GUN4 gestützt wurde. Da die Expression der Chlorophyllsynthese-Gene nicht verändert war, musste es sich außerdem um einen posttranslationalen Effekt handeln. Die Überproduktion von BCM1 führte – wie übrigens auch die von GUN4 oder der Magnesium-Chelatase – zu höheren Konzentrationen an Magnesium-haltigen Tetrapyrrolen in den Chloroplasten. Interessanterweise war das aber nicht mehr der Fall, wenn gleichzeitig GUN4 fehlte. BCM1 musste also über GUN4 wirken. Tatsächlich fanden die Forscher über mehrere Methoden zum Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen (wie zum Beispiel dem Hefe-Zwei-Hybrid-System) eine direkte Wechselwirkung zwischen beiden Regulatoren.
Es grünt so grün: Bernhard Grimm und Peng Wang auf der Suche nach den Mitspielern im Chlorophyll-Haushalt. Foto: Bernhard Grimm
Ein ausgeklügeltes Experiment zeigte den Einfluss dieser Interaktion auf die Magnesium-Chelatase. Dazu präparierten die Forscher Thylakoidmembranen mit und ohne BCM1 und gaben diese mit rekombinanten Untereinheiten der Magnesium-Chelatase zusammen. Als sie GUN4 hinzufügten, stieg die Aktivität des Enzyms an, und zwar stärker, wenn die Thylakoidmembran BCM1 enthielt. Zwar war der Unterschied mit zwölf Prozent nicht sehr groß, aber eindeutig, wie Grimm darlegt: „Posttranslationale Regulationen sind immer ein Feintuning, während transkriptionelle Kontrolle eher als ein genereller An- beziehungsweise Ausschalter wirkt. Von der Magnesium-Chelatase und GUN4 wussten wir schon, dass sie beide intensiv posttranslational reguliert werden. BCM1 kommt nun als neuer Regulator hinzu.“
Wie BCM1 auf molekularer Ebene wirken könnte, haben sich die Pflanzengenetiker auch schon überlegt: „Wir vermuten, dass BCM1 eine Art Ankerprotein ist und dafür sorgt, dass sich die Magnesium-Chelatase und GUN4, die beide keine Transmembrandomäne besitzen, kurzfristig an den Stroma-Lamellen konzentrieren können.“
Mit dieser Erkenntnis war die Geschichte um BCM aber noch nicht zu Ende – denn im Arabidopsis-Genom entdeckte Wang noch die zweite Genvariante BCM2. Das entsprechende Protein konnte BCM1 funktionell ersetzen, es muss also die gleiche Funktion haben. Im Vergleich zu BCM1 wird das BCM2-Gen aber nur schwach exprimiert und auch vor allem in älteren Blättern zusammen mit Genen für den Chlorophyllabbau. Während das Ausschalten von BCM2 keinen nennenswerten Effekt hatte, brachte die Überproduktion die Forscher auf eine heiße Spur: Die entsprechende Pflanze hatte auch nach mehrtägigem Wachstum im Dunklen – eigentlich ein Signal, Chlorophyll abzubauen – noch kräftig grüne Blätter. „Mit diesem Stay-Green-Phänotyp sah sie aus wie eine Mutante, die keine Magnesium-Dechelatase ausbilden kann“, so Grimm. Dieses Enzym ist der Gegenspieler zur Magnesium-Chelatase und steht am Anfang des Chlorophyllabbaus. Tatsächlich interagierten beide BCM-Proteine im Hefe-Zwei-Hybrid-System auch mit der Magnesium-Dechelatase. In Tabakblättern konnten die Wissenschaftler dann zeigen, dass der Effekt einer Überproduktion der Magnesium-Dechelatase, die normalerweise zu einem verfrühten Chlorophyllabbau führt, durch eine gleichzeitige Überproduktion von BCM1 ausgehebelt wird – die Blätter bleiben grün. „Offensichtlich hemmt BCM1 den Chlorophyllabbau, indem es die Magnesium-Dechelatase destabilisiert. Damit ist einer der ersten Regulatoren identifiziert worden, der gleichzeitig zwei gegenläufige Stoffwechselwege reguliert“, freut sich der Pflanzenphysiologe.
Wozu aber zwei Proteinvarianten mit gleicher Funktion? Ein Schlüssel sind wohl die unterschiedlichen Expressionsmuster. Während in jungen Blätter BCM1 die Chlorophyllsynthese fördert und gleichzeitig den Abbau hemmt, hilft BCM2 in älteren Blättern, den Chlorophyllabbau zu verlangsamen.
Ob das bei anderen Pflanzen auch so funktioniert, möchten Grimm und Wang zukünftig untersuchen. Dabei interessieren sie sich vor allem für Kulturpflanzen wie Getreide und suchen jetzt einen industriellen Partner, dem sie sogar ein eigenes Patent bieten können. Im Moment liegen die Pläne zwar aufgrund der Corona-Pandemie auf Eis, aber für die Zeit danach haben die Berliner schon jede Menge Ideen: „Wenn wir wissen, wie viele BCM-Varianten es in einer Kulturpflanze gibt und wie diese reguliert werden, könnten wir Nutzpflanzen in Bezug auf wirtschaftlich interessante Eigenschaften optimieren – wie die Generationszeit, den Zeitpunkt für Blütenbildung und die Photosyntheseaktivität. Ein Regulator wie BMC1, der gleichzeitig die Chlorophyllsynthese fördert und den -abbau stoppt, scheint hier besonders vielversprechend.“
Aufgrund der Gesetzeslage in Europa wird man aber wohl transgene Pflanzen mit gentechnisch veränderten Eigenschaften des Regulators nicht direkt nutzen können. Stattdessen planen die Forscher, auf natürliche Varietäten oder Sorten zurückzugreifen und dort zu schauen, ob sie ein passendes Pendant zu ihren Mutanten finden. Am Ende winken Pflanzen, die möglicherweise früher blühen oder mehr Chlorophyll bilden und länger grün bleiben, die also nicht nur mehr Ertrag liefern könnten, sondern vielleicht auch in Gegenden wachsen, in denen die Vegetationsperiode für den Wildtyp schlicht und einfach zu kurz ist.