Licht aus, Schlafenszeit!

Ohne Sonnenlicht wäre der Betrieb des Photosynthese-Apparates reine Energieverschwendung für eine Pflanze. Bestimmte Proteine helfen ihr dabei, im Tag-Nacht-Rhythmus zu bleiben und ihre Ressourcen zu schonen.

Von der inneren Uhr des Menschen hat fast jeder schon einmal gehört. Sie regelt den menschlichen Tag-Nacht-Rhythmus. Der wichtigste biologische Taktgeber für die innere Uhr ist das Sonnenlicht. Auch bei Pflanzen gibt es sie. Dort steuert sie beispielsweise, wann die Gene für die Photosynthese aktiv sind, damit die Pflanze keine Ressourcen verschwendet. Wie diese Uhr ihre Informationen an alle Zellorganellen weitergibt, konnten Wissenschaftler nun anhand der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigen. Bei ihren Untersuchungen stießen die Wissenschaftler auf eine Gruppe von Proteinen, die sog. Sigma-Faktoren, die in der DNA des Zellkerns codiert sind und über RNA-Polymerasen die Transkription von RNA regulieren. Diese Sigma-Faktoren pendeln zwischen den verschiedenen Zellorganellen hin und her, um Chloroplasten und Photosynthese im Gleichklang mit dem Sonnenlicht zu aktivieren oder abzuschalten. 

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70 % der Chloroplastengene tageszeitabhängig reguliert

Chloroplasten verfügen über ein eigenes kleines Genom, das einst aus dem der Cyanobakterien entstanden ist. Es enthält den genetischen Code für wichtige Komponenten der Photosynthese. Im Chloroplastengenom werden 62 der 88 proteincodierenden Gene abhängig von der Tageszeit reguliert. Die Studie zeigte, dass daran die sechs verschiedenen Sigma-Faktoren, die in Arabidopsis vorkommen, beteiligt sind. Sie übermitteln die Informationen über die unterschiedlichen Tageszeiten an verschiedene Chloroplastengene und passen die Maschinerie der Photosynthese auf diese Weise an die Lichtverhältnisse im Tag-Nacht-Rhythmus an.

Innere Uhr für Chloroplasten evolutionär konserviert

In ihrer Studie machten die Wissenschaftler außerdem noch eine überraschende Entdeckung: Der Prozess, der die Chloroplasten im Gleichklang mit dem Tagesrhythmus hält, scheint in allen Pflanzen konserviert zu sein. „Das ist so erstaunlich, weil sich „innere Uhren“ im Laufe der Evolution mehrere Male entwickelt haben“, schreiben die Wissenschaftler. Der Sigma-Faktor, den sich die Wissenschaftler in dieser Studie genauer angesehen haben (Sigma Faktor 5), hat sogar molekulare Vorfahren unter den Photosynthese-betreibenden Bakterien. In Arabidopsis arbeitet er allerdings mit einer völlig anderen inneren Uhr zusammen, die sich unabhängig von der inneren Uhr in Photosynthese-betreibenden Bakterien entwickelt hat. 

Innere Uhr stellen für höhere Erträge

Der Tagesrhythmus beeinflusst die Produktivität einer Pflanze maßgeblich: Er steuert sowohl das pflanzliche Wachstum, als auch, wann eine Pflanze blüht und Samen bildet. Darin sehen die Forscher großes Potential für eine landwirtschaftliche Nutzung. Denn der Prozess ließe sich wahrscheinlich auch zu Gunsten höherer Erträge manipulieren.