Um die Photosynthese zu starten, senden die Pflanzen anterograde Signale an sich selbst. Das Signal aktiviert die Plastiden-kodierte bakterielle RNA-Polymerase (PEP), um Plastiden-Photosynthesegene zu transkribieren. Die Identität des anterograden Signals muss jedoch noch geklärt werden. Die größte Herausforderung bestand darin, Regulatoren aus der Fülle notwendiger Komponenten für die Plastidentranskription und andere wesentliche Chloroplastenfunktionen wie die Photosynthese zu unterscheiden.
Wissenschaftler der UC Riverside haben nun diese bisher undurchsichtigen Signale entschlüsselt.
Der Zellkern kodiert Hunderte von Proteinen, die Bausteine für die kleineren Organellen enthalten. Die größte Herausforderung bestand darin, herauszufinden, welche Signale sie auslösen sollten Photosynthese.
Zuvor identifizierten Wissenschaftler bestimmte Proteine in Pflanzenkernen, die durch Licht aktiviert werden und so die Photosynthese auslösen. In dieser Studie identifizierten Wissenschaftler vier Proteine, die Teil dieser Reaktion sind. Diese Proteine senden ein Signal, das kleine Organe in Chloroplasten umwandelt, die wachstumsfördernde Zucker erzeugen.
UCR-Botanikprofessorin Meng Chen sagte: „Die Dirigenten der Symphonie sind Proteine im Kern, sogenannte Fotorezeptoren, die auf Licht reagieren. Wir haben in dieser Arbeit gezeigt, dass sowohl rote als auch blaue lichtempfindliche Photorezeptoren die Symphonie initiieren. Sie aktivieren Gene, die die Bausteine der Photosynthese kodieren.“
Der besondere Umstand besteht in diesem Fall darin, dass sowohl lokale (der Kern) als auch entfernte Musiker die Symphonie in zwei separaten „Räumen“ innerhalb der Zelle dirigieren. Dadurch müssen die nur im Zellkern vorhandenen Leiter (Photorezeptoren) bestimmte Botschaften an die weit entfernten Musiker übermitteln. Die vier kürzlich identifizierten Proteine vom Zellkern bis zu den Chloroplasten regulieren dieses Endstadium.
Chen sagte, „Derzeit beschreiben viele Forschungsarbeiten die Kommunikation von Organellen zurück zum Zellkern. Wenn mit den Organellen etwas nicht stimmt, senden sie Signale an das „Hauptquartier“ des Zellkerns. Über die aktivitätsregulierenden Signale, die vom Zellkern an das Gehirn gesendet werden, ist viel weniger bekannt Organellen"
„Der Zellkern könnte die Expression von Mitochondrien- und Chloroplasten-Genen auf ähnliche Weise steuern. Die Prinzipien, die wir aus dem Kommunikationsweg zwischen Zellkern und Chloroplasten lernen, könnten also unser Verständnis darüber verbessern, wie der Zellkern mitochondriale Gene und deren Funktionsstörung bei Krebs reguliert.“
„Die Bedeutung des Verständnisses, wie die Photosynthese gesteuert wird, hat Anwendungen, die über die Krankheitsforschung hinausgehen. Menschliche Siedlungen auf einem anderen Planeten würden wahrscheinlich Indoor-Landwirtschaft und die Schaffung eines Lichtsystems erfordern, um die Erträge in dieser Umgebung zu steigern. Noch unmittelbarer, Klimawechsel stellt die Pflanzenbauern auf diesem Planeten vor Herausforderungen.“
Journal Referenz:
- Hwang, Y., Han, S., Yoo, CY et al. Die anterograde Signalübertragung steuert die Plastidentranskription über Sigma-Faktoren getrennt von den Genen der nuklearen Photosynthese. Nat Commun 13, 7440 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35080-0
