Ans Licht gebracht

News: Ans Licht gebracht

Licht ist für Pflanzen lebensnotwendig: Nicht nur beim Aufbau von organischen Substanzen spielt es eine Schlüsselrolle, sondern steuert zudem zahlreiche Prozesse von der Keimung bis zur Blüte. Doch Licht ist nicht gleich Licht, denn Pflanzen reagieren unterschiedlich auf bestimmte Wellenlängen. Schon eine kleine Veränderung in der Aminosäurekette der lichteinfangenden Proteine verschiebt ihre Empfindlichkeit gegenüber dem Umweltfaktor.

Ulrike Knoll

Pflanzen fangen mit Hilfe spezieller Proteine, den Phytochromen, Licht ein und nutzen diese Energie, um ihre grundlegenden Bausteine zu bilden. Neben jenem als Photosynthese bezeichneten Prozess steuert Licht auch den Lebenszyklus einer Pflanze, indem es über jahres- und tageszeitlich bedingte Schwankungen das Signal zur Keimung oder Blütenbildung gibt.

Joanne Chory vom Howard Hughes Medical Institute und Detlef Weigel vom The Salk Institute sowie ihre Kollegen wollten nun Licht ins Dunkel um die Frage bringen, wie Unterarten einer Pflanze auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren. Als Modellorganismus diente ihnen einmal mehr die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), da sie schnell wächst, viele Samen produziert und ihr Erbgut inzwischen vollständig entziffert ist.

Die Forscher sammelten Samenkörner von 141 Varietäten verschiedener geographischer Regionen. Die gerade keimenden Sämlinge setzten sie jeweils denselben Dosen von blauem, roten, dunkelrotem und weißem Licht sowie völliger Dunkelheit aus und maßen anschließend das Wachstum des embryonalen Triebs.

Da sich dieser bei Strahlung niedrigerer Wellenlängen im Allgemeinen verstärkt streckt, diente dessen Länge als eine Art Messlatte für die Lichtempfindlichkeit der jeweiligen Pflanze. Und diese variierte innerhalb der einzelnen Unterarten erheblich: In niedrigeren Breitengraden heimische Varietäten, die einer intensiven Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, erwiesen sich am wenigsten lichtempfindlich. Bezüglich ihrer Antwort auf blaues, rotes oder dunkelrotes Licht kristallisierten sich zudem deutliche Gruppen heraus.

Als nächsten Schritt galt es nun die zugrundeliegende genetische Ursache aufzuklären. Dazu verglichen die Wissenschaftler die Wachstumsmuster der Ackerschmalwand-Unterarten mit denen von Labor-Pflanzen, deren Lichtfänger – die Phytochrome – genetisch verändert waren. Und tatsächlich entdeckten die Forscher eine Parallele: Der Arabidopsis-Stamm aus dem französischen Le Mans, genannt LM-2, ähnelte hinsichtlich seiner Lichtempfindlichkeit einer Pflanze, die ein modifiziertes Phytochrom-A-Protein aufwies.

Eine Analyse seiner Aminosäurekette lieferte detailliertere Einblicke. Lediglich ein einziger Baustein war beim LM-2-Stamm im Vergleich zum normalen Phytochrom ausgetauscht – allerdings mit weitreichenden Folgen. Während die gewöhnlichen Photorezeptoren in der Zelle ständig ab- und neue aufgebaut werden, wird, häufte sich hingegen das LM-2-Protein in der Zelle an. Zudem erwies es sich als hundertmal unempfindlicher gegenüber dem dunkelroten Lichtspektrum als sein normales Gegenstück.

Dabei beeinflusste die Mutation weder die lichtempfindliche noch die enzymatische Domäne des Proteins, sondern vielmehr eine Region, welche die beiden Bereiche wie ein Scharnier verknüpft. Und in der Tat erwies sich jenes Gelenkstück als äußerst kritisch, denn ein Aminosäure-Austausch bei einem verwandten Photorezeptor, dem Phytochrom B, ergab einen ähnlichen Effekt hinsichtlich der Lichtempfindlichkeit.

Die Ergebnisse dieser Studie liefern Wissenschaftlern nicht nur neue Erkenntnisse über die molekulare Maschinerie, welche die Antwort der Pflanze auf Sonnenenergie steuert. Möglicherweise gewähren sie auch Einblicke die genetischen Grundlagen der natürlichen Variation anderer Merkmale bei komplexeren Organismen wie dem Menschen, spekuliert Weigel.