Kann die Fruchtreife bald gezielt gesteuert werden?

Forscher entdeckten, dass Proteine, die den Abbau unerwünschter Eiweiße in Pflanzenzellen steuern auch an der äußeren Membran von Chloroplasten andocken. Hier verändern sie spezielle Proteinkomplexe, die regulieren welche Moleküle durch die Membran geschleust werden. Durch eine Veränderung des Proteinpools innerhalb der Chloroplasten, kann auch die Fruchtreife gezielt gesteuert werden.

Chloroplasten sind Organellen, die in den Pflanzenzellen für die Photosynthese zuständig sind und zur Gruppe der Plastiden gehören. Eine Besonderheit der Plastiden ist deren Fähigkeit, sich im Laufe des Pflanzenwachstums und in Reaktion auf Umweltbedingungen in unterschiedliche Plastidentypen umzuwandeln. Zum Beispiel die Umwandlung von Chloroplasten in hochpigmentierte Chromoplasten während der Reifung von Früchten. Bei Nutzpflanzen, wie beispielsweise Tomaten, sorgt diese Veränderung für die Verfärbung der Früchte von grün zu rot.

Die Entwicklung der Chloroplasten und anderer Plastiden ist jedoch vom Import von Eiweißen (Proteinen) aus dem Zellinneren, dem sogenannten Cytosol, abhängig. 

Wer darf rein und wer nicht?

Der Import von Proteinen wird durch spezielle Proteinkomplexe (TOC) aktiv geregelt. Sie stellen eine Art Tor für Proteine dar. Diese Proteinkomplexe sitzen in der äußeren Membranhülle der Chloroplasten und kontrollieren quasi wie „Wächter“, welche Proteine in die Chloroplasten eindringen dürfen. Auch Vorläuferproteine, d.h. Proteine, die noch nicht voll funktionsfähig sind, gelangen durch diesen Kanal in die Chloroplasten. Dieser Selektionsweg beeinflusst die Gesamtheit der Proteine in den Chloroplasten, dass Chloroplasten-Proteom und somit deren Entwicklung. Die Forscher entdeckten nun, dass über den Abbau der TOC-Proteinkomplexe auch Entwicklungs- und Alterungsprozesse der Chloroplasten gesteuert werden.

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Schutzmechanismus beeinflusst die Chloroplasten

Die Forscher identifizierten ein neues Gen (SP1), welches ein spezielles Protein (eine Ubiquitin E3 Ligase) kodiert. Ubiquitin E3 Ligasen sind an einer Regulationseinheit beteiligt, dem Ubiquitin-Proteasom-System (UPS). Das UPS ist ein zellulärer Schutzmechanismus, durch den unerwünschte Proteine abgebaut werden. Indem die E3 Ligasen Ubiquitin an Zielproteine anheften, markieren sie diese für den Abbau. Diese werden daraufhin vom Proteasom aufgebrochen und zerstört.

Die Forscher entdeckten nun, dass dieses Protein auch an bestimmte Proteinkomplexe der äußeren Chloroplastenmembran (TOC) bindet. Dadurch werden also auch Komponenten der Chloroplastenmembran markiert und abgebaut, die den Import von Proteinen aus dem Cytosol regulieren. Auf diese Weise kann der Import in die Chloroplasten aktiv beeinflusst werden. Das auch Entwicklungsprozesse der Chloroplasten durch das UPS gesteuert werden ist eine ganz neue Erkenntnis.  

Das Forscherteam untersuchten Pflanzen, bei denen sie das SP1-Gen gezielt ausgeschaltet hatten. Als Versuchspflanze diente ihnen die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die Arabidopsis-Mutanten waren bei jenen Entwicklungsprozess ineffizient, bei denen eine Neuordnung des Proteoms notwendig ist. So verzögerte sich die Plastidenentwickung von jungen Etioplasten zu photsynthese-fähigen Chloroplasten. Auch die Photosyntheseleistung ging zurück. Es überlebten auch weniger Mutanten, als Pflanzen aus der Kontrollgruppe, bei denen alle Gene voll funktionstüchtig waren. Dies deutet darauf hin, dass die Veränderung der TOCs eine Voraussetzung für die Weiterentwicklung der Plastiden ist.

Da das Proteom für die Entwicklung von Plastiden entscheidend ist, schlussfolgern die Forscher, dass die Bildung und Funktionen der Chloroplasten durch solch spezifische Proteine - wie dem SP1-Protein - gezielt reguliert werden könnten.

Praktischer Nutzen

Könnte man also die Entwicklung der Chloroplasten gezielt steuern, wäre man in der Lage den Zeitpunkt der Reifung der Früchte zu beeinflussen. Gelänge dies, wäre diese Forschungsleistung auch von praktischem Nutzen für die Landwirtschaft. Die Universität Leicester hat bereits ein Patent auf die Forschung angemeldet. Denn oft werden Früchte durch den fortschreitenden Reifungsprozess ungenießbar, bevor sie den Endverbraucher erreichen. Durch die wachsende Weltbevölkerung kann hier angesetzt werden, um die Nahrungsversorgung zu sichern. Eine Hoffnung ist es, durch die Regulierung der Reifung die Nahrungsmittelverschwendung zu verringern.