Das kleine Einmaleins des Stärkeverbrauchs

Britische Wissenschaftler fanden heraus, wie Pflanzen ihren Stärkebedarf für die Nacht bestimmen, um nicht zu hungern.

Pflanzen nutzen das Sonnenlicht, um Kohlenhydrate zu produzieren, die sie zum Wachstum und als Energiequelle für ihren Stoffwechsel benötigen. Damit nachts nicht alles zum Erliegen kommt, legen sie tagsüber zudem Kohlenhydrat-Reserven in Stärke an, die sie in der Dunkelheit aufbrauchen. Da die Nächte aber unterschiedlich lang sind und auch die Größe der Vorräte je nach Dauer und Intensität der Lichteinstrahlung variiert, müssen sie jede Nacht aufs Neue abschätzen, wie viel sie bis zum nächsten Morgen verbrauchen können. Wissenschaftler haben jetzt herausgefunden, welche Mechanismen den Pflanzen helfen, ihren Stärkevorrat exakt zu kalkulieren. Ein Aufschluss über diese „Berechnungen“ könnte helfen, das Pflanzenwachstum und damit die Ernteerträge zu optimieren.

Pflanzen kennen die Uhrzeit

Pflanzen erhalten Informationen über Tageszeit und Tages- bzw. Nachtlänge durch lichtempfindliche Proteine (besonders Cryptochrome), die täglich durch das Licht justiert werden und maßgeblichen Anteil an der „inneren Uhr“ der Pflanzen haben. Um den nächtlichen Stärkevorrat zu berechnen, brauchen die Pflanzen zusätzlich noch Informationen über die am Ende des Tages zur Verfügung stehende Menge an Stärke. Diese beiden Faktoren bezeichnen die Forscher als „S“ für Stärke und „T“ für die Zeit/voraussichtliche Länge der Nacht. Daraus ergibt sich die Gleichung

S (Stärkemenge)/T(Dauer der Nacht),

über welche die Pflanzen ihren Stärkeverbrauch regulieren. S und T stehen dabei stellvertretend für die Konzentrationen von Molekülen, die den zeitgenauen Stärkeabbau regulieren und sich gegenseitig beeinflussen.

Präzise Kalkulationen

#####1#####

Für ihre Untersuchungen verwendeten die Wissenschaftler die Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana). Zunächst testeten sie, wie sich die Pflanzen verhalten, wenn einer der beiden Parameter spontan verändert wird. Sie unterbrachen beispielsweise die Nacht mit mehreren Stunden Licht, um die Dunkelphase zu verkürzen oder senkten die Intensität des Tageslichtes, so dass die Pflanzen am Abend weniger Reservestärke zur Verfügung hatten als sonst. Alle Ergebnisse zeigten, dass die Pflanzen sich an die veränderten Bedingungen anpassten, dass sie also jede Veränderung bei Zeitdauer oder Stärkekonzentration mit einer neuen „Berechnung“ der benötigten Stärkemenge pro Zeiteinheit kompensierten. Vergleichbare Ergebnisse gelangen auch mit einer anderen Modellpflanze, der Zwenke, (Brachypodium distachyon).

Schaltstelle für den Stärkeabbau

Um dem molekularen Mechanismus der Berechnung auf die Spur zu kommen, verwendeten die Forscher sechs verschiedene Arabidopsis-Mutanten. Bei ihnen wurde je ein für den Stärkeabbau wichtiges Enzym ausgeschaltet und die Pflanze anschließend verschiedenen Störungen ausgesetzt (unterbrochene Nacht, geringere Konzentration der Stärke durch Lichtmangel). Fünf der Mutanten kamen trotz der Störungen mit ihrem Stärkevorrat hin, nur Mutante sechs, bei der das Enzym Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD) ausgeschaltet wurde, hatte mit der Veränderung der Dunkelphase Probleme: Sie konnte den Stärkeverbrauch in einem veränderten Tag-Nacht-Rhythmus nicht mehr anpassen. Die PWD hat die Aufgabe, zusammen mit der Glucan-Wasser-Dikinase (GWD) Phosphatgruppen an die Oberfläche des Stärkekorns anzubauen (Phosphorylierung). Dadurch wird die Anordnung der Stärkemoleküle verändert, so dass die stärkeabbauenden Enzyme (Beta-Amylasen und die Isoamylase 3) die Moleküle erreichen und zerlegen können. Anschließend werden die Phosphatgruppen durch die Enzyme SEX4 und LSF2 wieder entfernt. Fehlte die PWD, wurde zwar weiter Stärke abgebaut, aber der Verbrauch konnte nicht mehr an die Länge der Dunkelphase angepasst werden, weil der Pflanze offenbar Informationen fehlten, die ihr sonst über die PWD zur Verfügung standen.

Da die PWD an Phosphorylierungsreaktionen beteiligt ist, untersuchten die Forscher daraufhin die an die Stärkekörner gebundenen Phosphatkonzentrationen. Dabei stellten sie fest, dass diese Konzentrationen einem Tag-Nacht-Rhythmus folgten und somit eine tageszeitabhängige Aktivität der stärkeabbauenden Enzyme vorgeben. Daraus schlossen die Wissenschaftler, dass die PWD einen wichtigen Knotenpunkt darstellen muss, bei dem die Informationen über Zeitdauer und Stärkegehalt zusammenlaufen und der dementsprechend die Rate des Abbaus festlegt. Damit wäre die PWD das ausführende Organ der „Berechnungen“ zum Stärkeverbrauch. Diese Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen auf molekularen Weg in der Lage sind,  Stärkeeinlagerung und Verbrauch an sich ändernde Umweltfaktoren präzise zu kalkulieren und anzupassen. Die Ergebnisse könnten zukünftig dazu beitragen, sowohl das Pflanzenwachstum als auch den Stärkegehalt von wichtigen Grundnahrungsmitteln wie Kartoffeln und Rüben zu optimieren.