Wie Pflanzen in Stresssituationen kommunizieren
Der Import eines grün fluoreszierenden Proteins in die Chloroplasten unter Stressbedingungen
erfolgt normal in Wildtyppflanzen (links), w?hrend er in Abwesenheit des GUN1-Proteins
gest?rt ist. Das nicht importierte Protein sammelt sich daher au?erhalb der Chloroplasten
im Zytoplasma der Zellen an (rechts).
? MPI-MP, Guo-Zhang Wu
Pflanzen sind über die Wurzeln im Boden verankert und k?nnen somit nicht vor unvorteilhaften oder gar lebensbedrohenden Umweltbedingungen flüchten. Diesen scheinbaren Nachteil kompensieren sie durch eine ausgeklügelte Wahrnehmung der Ver?nderung von Umweltfaktoren, der sie mit der schnellen Ausbildung von Abwehr- und Schutzma?nahmen begegnen. Um diese Ma?nahmen in Gang zu setzen – etwa bei Trockenheit, wechselnden Lichtintensit?ten oder Temperaturen–, ist die innerzellul?re Kommunikation zwischen den Organellen und dem Zellkern von zentraler Bedeutung.
Das Genomes Uncoupled 1-Protein?
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Arbeitsgruppe von Prof. Ralph Bock am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm, Wissenschaftlern der Oxford University sowie Dr. Andreas Richter und Prof. Dr. Bernhard Grimm von der AG Pflanzenphysiologie der Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) ist nun ein wesentlicher Beitrag zur Aufkl?rung der Funktion eines bislang unbekannten Faktors, der für die innerzellul?re Kommunikation wichtig ist, gelungen. Es handelt sich dabei um das Genomes Uncoupled 1 (GUN1)-Protein, dass die Forschenden als zentrale Komponente im Kommunikationsprozess identifiziert haben – wenn die Entwicklung der Pflanze gest?rt wird. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts sind diese Woche im Wissenschaftsmagazin Nature Plants erschienen.
Molekulare Identit?t
Die innerzellul?re Kommunikation von Pflanzen spielt sich zwischen den Organellen, die Plastiden und Mitochondrien genannt werden, und dem Zellkern, der zellul?ren Schaltzentrale, in der die überwiegende Anzahl der Erbeigenschaften verschlüsselt ist, ab. Die Organellen sind vor allem für die zellul?re Energiegewinnung durch Photosynthese und Atmung zust?ndig. Dafür senden sie Signale an den Zellkern aus, um die Bildung von Proteinen in Gang zu setzen, die unter anderem den Aufbau des Photosyntheseapparates und die Biosynthese von Chlorophyll in den Chloroplasten erm?glichen. Die an diesem Prozess der sogenannten retrograden Kommunikation beteiligten Signale wurden vor mehr als 30 Jahren postuliert, jedoch konnten erst in den letzten Jahren Zug?nge gefunden werden, um ihre molekulare Identit?t aufzukl?ren.
Bei Stress kommt das GUN1-Protein zum Zug
Die Forschenden konnten nachweisen, dass das GUN1-Protein in den Plastiden als eine zentrale Komponente für den Import zellkernkodierter Proteine in die Chloroplasten agiert, wenn die Entwicklung der Pflanze durch Stress gest?rt wird. Dazu haben sie Mutanten der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), dem bevorzugten Forschungsprojekt der molekularen Pflanzenwissenschaftler, eingesetzt, denen das GUN1-Protein fehlt. Sie konnten beobachten, dass in den Mutanten nicht genügend Proteine in die Chloroplasten transportiert wurden. Zus?tzlich schalteten die Mutanten Gene für Stressproteine der Familie der Hitzeschock-Proteine HSP70 und HSP90 an, um zu verhindern, dass die nicht importierten Proteine Sch?den in der Zelle anrichten.
Die gemeinsamen Arbeiten zeigen, dass das GUN1-Protein für die innerzellul?re Kommunikation und den optimalen Import von Proteinen in die Chloroplasten insbesondere unter Stressbedingungen von gro?er Bedeutung ist. Die Erkenntnisse er?ffnen auch neue M?glichkeiten, die Anpassung von Nutzpflanzen an ungünstige Umweltbedingungen zu verbessern.
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Publikation
Control of retrograde signalling by protein import and cytosolic folding stress. Guo-Zhang Wu, Etienne H. Meyer, Andreas Richter, Maja Schuster, Qihua Ling, Mark A. Sch?ttler, Dirk Walther, Reimo Zoschke, Bernhard Grimm, R. Paul Jarvis and Ralph Bock
https://doi.org/10.1038/s41477-019-0415-y
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Prof. Dr. Ralph Bock, korrespondierender Autor
Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
Am Muehlenberg 1
14476 Potsdam-Golm
E-Mail: rbock@mpimp-golm.mpg.de
Prof. Dr. Bernhard Grimm, Humboldt-Universit?t zu Berlin
Lebenswissenschaftliche Fakult?t
Institut für Biologie/Pflanzenphysiologie
Philippstra?e 13 (Haus 12)
10115 Berlin
Tel.: +49 030 2093-98332
E-Mail: bernhard.grimm@rz.hu-berlin.de
Webseite des Instituts für Biologie
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