Recycling im Dunkeln

Fast alle Pflanzen sind vom Licht abhängig, um mit der Photosynthese Energie zu gewinnen. Was macht aber eine Pflanze, wenn das Licht ausgeht? In solchen „Hungersituationen“ bauen sie kurzerhand ihre Enzyme ab und nutzen die Komponenten zur Energiegewinnung, das fanden Forscher jetzt heraus.

Wer schon einmal Pflanzen für ein paar Stunden oder Tage im Keller stehen hatte, wird festgestellt haben, dass sie problemlos längere Zeit in der Dunkelheit überleben. Wissenschaftler haben sich in einer neuen Studie näher mit den dahinterliegenden Mechanismen beschäftigt.

Autophagozytose

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Pflanzen besitzen die Möglichkeit, Zellkomponenten abzubauen und die Abbauprodukte wieder zu verwerten. In Vakuolen werden unter anderem beschädigte oder falsch konstruierte Proteine sowie „verbrauchte“ Zellbestandteile auf diese Weise recycelt. Dieser Prozess wird Autophagozytose oder Autophagie genannt. Bekannt ist, dass er der Pflanze insbesondere bei Nährstoffmangel hilft zu überleben.

Die Forscher interessierte, ob Autophagie den Pflanzen auch bei einer „Hungersituation“ - also bei ausgebremster Photosynthese - helfen könnte. Bekannt ist, dass Pflanzen bei Kohlenhydratmangel über die Enzyme D2-Hydroxyglutarat-Dehydrogenase (D2HGDH) und Isovaleryl-CoA-Dehydrogenase (IVDH) verzweigtkettige Aminosäuren (branched-chain amino acids, BCAAs) abbauen und zur Energiegewinnung nutzen können. Zu diesen Aminosäuren zählen Valin, Leucin und Isoleucin.

Bei einem Energieengpass ist es für die Pflanze sinnvoll, Proteine vor allem dort abzubauen, wo sie in großen Mengen vorhanden sind. Besonders in den Chloroplasten gibt es ein großes Reservoir an löslichen Proteinen. Bei C3-Pflanzen  besteht die Hälfte dieser Proteinfraktion aus dem Photosynthese-Enzym RuBisCo. In voran gegangenen Studien konnten die Forscher bereits nachweisen, dass in einer Hungersituation Komponenten der plasmatischen Phase der Chloroplasten (Stroma) über RCBs (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/-oxygenase-Containing Bodys) in Vakuolen transportiert werden.

RuBisCo als alternativer Energiespender

Für die aktuellen Untersuchungen wurden Mutanten der Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) erzeugt, bei denen die Kontroll-Gene für die intrazelluläre Autophagozytose gestört waren (atg-Mutanten). In weiteren Mutanten schalteten die Wissenschaftler die Gene aus, die für den Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren zuständig sind: Isovaleryl-CoA-Dehydrogenase (ivdh-Mutanten) und Elektronentransferendes Flavoprotein-Dehydrogenase (etfqu-Mutanten).

In einer ersten Untersuchung wurden atg-Mutanten und Pflanzen des Wildtyps für zwei, vier und acht Tage in Dunkelheit gehalten und anschließend die Mengen an löslichen Proteinen sowie die Konzentrationen an freien Aminosäuren untersucht. Im Wildtyp kam es von Beginn der Dunkelphase an zu einem Abbau von Chlorophyll-Proteinen wie RuBisCo. Gleichzeitig erhöhte sich die Menge an freien Aminosäuren in der Vakuole. Für die atg-Mutanten konnte innerhalb der ersten zwei Tage keine nennenswerte Abnahme der RuBisCo festgestellt werden. Ebenso gab es nur einen geringen Anstieg freier Aminosäuren.

Erst nach acht Tagen konnte auch bei den Mutanten ein deutlicher Anstieg freier Aminosäuren nachgewiesen werden, vermutlich durch den Abbau von Proteinen über andere Abbauwege (zum Beispiel Proteasen). Zu diesem Zeitpunkt fanden die Forscher beim Wildtyp wesentlich geringere Konzentrationen an freien Aminosäuren in den Vakuolen. Zudem sahen die Pflanzen des Wildtyps auch nach acht Tagen Dunkelheit noch gesund aus und waren voll funktionsfähig.

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Die atg-Mutanten hingegen wiesen schwere Schädigungen bis hin zu Nekrosen auf. Die Forscher vermuten daher, dass der Wildtyp bei andauernden schlechten Lichtbedingungen auf eine Art „Stand-by-Modus“ schaltet, um seine Proteinreserven zu schonen, Energie zu sparen und so auf bessere Zeiten warten kann. Bei den Mutanten war diese Fähigkeit offenbar nicht mehr vorhanden. Sie bauten ihre Proteine unkontrolliert ab und in der Folge starben viele Zellen.

Um die Weiterverwertung der Aminosäuren zu klären, wurden die Aminosäurekonzentrationen im Wildtyp sowie in ivdh- und etfqo-Mutanten nach zwei Tagen Dunkelheit untersucht. Wie erwartet, waren die Konzentrationen in den Mutanten im Vergleich zum Wildtyp erhöht, da der Abbauweg der Aminosäuren durch die fehlenden Enzyme versperrt war.

Nutzen für die Pflanzenzüchtung?

Die Forscher schließen aus diesen Ergebnissen, dass Pflanzen bei Dunkelheit eine spezielle Form der Autophagozytose nutzen, die besonders das in den Chloroplasten enthaltene, sehr häufige Enzym RuBisCo gezielt abbaut. Die freigesetzten Aminosäuren werden anschließend zur Energiegewinnung genutzt. Das macht auch Sinn, denn in dunkler Umgebung wird die RuBisCo nicht zur CO₂-Fixierung benötigt. Die Forscher gehen davon aus, dass Pflanzen sich auf diesem Weg den sich ständig wechselnden Lichtbedingungen anpassen und so ihr Überleben sichern.

Eine gezielte Steuerung dieses Abbaumechanismus könnte für die Produktion von hochwertigem Getreide nützlich sein: Da Aminosäuren wichtige Bausteine für die Entwicklung des Korns sind, könnte über einen gesteigerten Abbau von Proteinen der Nährwertes von Getreide zusätzlich erhöht werden, vermuten die Wissenschaftler. Dafür muss allerdings noch eine Menge geforscht werden.