Umsatz ist nicht alles

Hoher Proteinumsatz kann Wachstum hemmen

29.06.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Größe der Blattrosetten von Arabidopsis hängt unter anderem vom Standort ab. (Bildquelle: © Quentin Groom/wikimedia.org/gemeinfrei)
Die Größe der Blattrosetten von Arabidopsis hängt unter anderem vom Standort ab. (Bildquelle: © Quentin Groom/wikimedia.org/gemeinfrei)

In allen Zellen werden Proteine laufend synthetisiert und wieder abgebaut. Man spricht hier vom Proteinumsatz oder Protein-Turnover. Wie eine Studie zeigt, können bei der Modellpflanze Ackerschmalwand überraschenderweise Wachstum und Proteinumsatz negativ miteinander korrelieren.

Eine Pflanzenzelle am Laufen zu halten, ist eine energieintensive Angelegenheit. Einen besonders großen Kostenfaktor bilden die Ribosomen. Die Proteinfabriken, in denen die Translation stattfindet. Nun könnte man meinen, dass besonders kräftige und hochgewachsene Pflanzen das Glück haben, besonders viele dieser zellulären Hochleistungsmaschinen zu besitzen. Schließlich werden Proteine oft als Grundstoff allen Lebens bezeichnet. Wie ein internationales Forscherteam mit Beteiligung aus Deutschland nun herausgefunden hat, scheint diese Milchmädchenrechnung nicht immer aufzugehen.

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An Maisblättern wurde eine ähnliche negative Korrelation beobachtet wie an den Blattrosetten von Arabidopsis.

An Maisblättern wurde eine ähnliche negative Korrelation beobachtet wie an den Blattrosetten von Arabidopsis.

Bildquelle: © Don Graham/wikimedia.org/CC BY-SA 2.0

Höhere Beweiskraft dank vieler Linien

Am Beispiel von 19 Ackerschmalwand-Linien (Arabidopsis thaliana) zeigten sie, dass Pflanzen mit größeren Blattrosetten deutlich weniger Proteine in ihren Blättern enthielten als Pflanzen mit kleinen Blattrosetten. Dass bei Arabidopsispflanzen die Wachstumsrate der Blattrosette und der dortige Protein- und Stärkegehalt negativ korrelieren, war bereits aus früheren Studien bekannt. Unklar war bislang aber warum. Die Autorinnen und Autoren der im „the plant journal“ erschienenen Studie vermuteten aber, dass dies in Verbindung mit den Ribosomen stehen könnte. Bei verschiedenen Einzellern  – Algen, Hefen und Bakterien – wurde eine derartige Verbindung bereits Jahre zuvor nachgewiesen.

Gemeinsamkeiten zwischen E. coli und Arabidopsis

Was also u. a. für das Kolibakterium Escherichia coli gilt, scheint nun auch auf die Pflanzenzellen von Arabidopsis zuzutreffen. Der Grundgedanke ist gleich: Je höher die Ribosomenaktivität und größer der Ribosomenapparat, desto höher sind auch die Fixkosten für den Unterhalt und desto weniger bleibt für andere Aktivitäten und Prozesse übrig, z.B. für die Produktion von Biomasse. Um bei der Überprüfung auf Nummer sicher zu gehen, setzten die Forscher bei ihren Messungen an verschiedenen Punkte an (am Stoffwechsel, Proteom und Transkriptom), kamen dabei aber am Ende immer zum selben Ergebnis.

Wichtig war zunächst die Erkenntnis, dass die Linien mit den größeren Blattrosetten keineswegs mit effizienteren Ribosomen ausgestattet waren, sondern dass die Ribosomen der kleineren im Durchschnitt rund 30 % Überschuss produzierten. Warum dieser nicht in die Bildung von mehr Biomasse investiert wurde, begründeten die Forscher mit dem gestiegenen Proteinumsatz, auch Protein-Turnover genannt. Hierunter werden sowohl die Synthese als auch der Abbau von Proteinen zusammengefasst. Was aber war der Grund für die Entstehung eines so hohen Überschusses?

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Stein des Anstoßes war das Bakterium Escherichia Coli, bei dem man erstmals auf den negativen Zusammenhang stieß.

Stein des Anstoßes war das Bakterium Escherichia Coli, bei dem man erstmals auf den negativen Zusammenhang stieß.

Bildquelle: © Peggy S. Hayes/wikimedia.org/gemeinfrei

Tag-und-Nacht-Rhythmus erklärt Schwankungen

Wie die Forscher in ihrer Studie schreiben, unterlag die Ribosomenaktivität (gemessen an der zellulären Konzentration der ribosomalen RNA, rRNA) bei den 19 untersuchten Linien zum Teil deutlichen Schwankungen. Und das nicht nur von Linie zu Linie, sondern jeweils auch in Abhängigkeit von Tag und Nacht, wobei die Ribosomenaktivitäten nachts ab- bzw. tagsüber zunahmen. Hier zeichnete sich ein deutliches Muster ab: Die Linien mit den größeren Blattrosetten wiesen auch die größeren Schwankungen auf. Die Differenz lag hier bei 20-33 %. Anders sah es bei den Verwandten mit den kleineren Blattrosetten aus. Hier betrug der Unterschied lediglich 5-12 %.

In ihrer Studie ziehen die Forscher hieraus den Schluss, dass Erstere offensichtlich besser in der Lage sind, die Aktivitäten ihres Ribosomenapparats im Wechselspiel von Tag und Nacht zu regulieren, wodurch sich Überschüsse vermeiden lassen. Dies geht sogar so weit, dass Ribosomen über Nacht gezielt abgebaut werden. Vereinfacht gesagt, liegt es also weniger an den Ribosomen selbst, als vielmehr an deren Regulierung, dass einige Arabidopsislinien etwas üppiger am Stängelgrund ausgestattet sind als andere. Ob ein vergleichbarer Zusammenhang auch bei anderen Pflanzenarten besteht, wird sich zeigen, jedoch wurde bereits Ähnliches im Ansatz bei Mais (Zea mays) beobachtet.

Wie lautet die Erklärung aus Sicht der Evolution?

Nun ist die Natur immer wieder für Überraschungen gut, aber ein derart verschwenderischer Umgang mit Ressourcen eher ungewöhnlich und aus evolutionärer Sicht schwer zu erklären. Und tatsächlich, schaut man sich an, wo die Arabidopsislinien mit den kleineren Blattrosetten normalerweise wachsen (nämlich nicht im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen), ergibt sich ein anderes Bild. So sind diese nämlich häufiger auf stickstoffärmeren Böden zu finden, wo ein höherer Proteinumsatz nötig ist, um den in geringeren Mengen vorhandenen Stickstoff effektiver innerhalb der Pflanze zu verteilen.

Aus diesem Grund betrachten die Forscher den Proteinumsatz als wichtige Voraussetzung und Möglichkeit, mit der Pflanzen auf Umweltbedingungen reagieren. Die Ribosomen dienen ihnen in diesem Zusammenhang als Stellschraube. Im nächsten Schritt möchten sich die Forscher genauer mit den molekularen Mechanismen und den entscheidenden Faktoren beschäftigen und vor allem auch den genetischen Hintergrund näher beleuchten.

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