zum Inhalt springen
Powered by

Eine Schaltzentrale für Licht und Kälte

Bei optimalen Lichtverhältnissen sprießen Pflanzen besonders gut - allerdings nur, wenn sie nicht unter Stress stehen. Ist zum Beispiel der Salzgehalt des Bodens zu hoch oder die Temperatur zu niedrig, drosselt das pflanzliche Gewebe sein Wachstum. Schon lange vermuten Zellbiologen daher einen Informationsaustausch zwischen den molekularen Signalwegen, die Lichtwahrnehmung und Stresstoleranz vermitteln. Diese Vermutung hat die Arbeitsgruppe von Prof. Gunther Neuhaus von der Universität Freiburg bestätigt. In den letzten Jahren haben die Wissenschaftler sogar eine mögliche molekulare Schnittstelle entlarvt.

Die Pflanzenzelle ist nicht blind. Mithilfe spezialisierter Rezeptormoleküle nimmt sie Licht wahr und meldet die Intensität und die Dauer der Einstrahlung über komplizierte Kaskaden von Molekülen an den Zellkern weiter. Dort reagieren bestimmte Gene und regen das pflanzliche Wachstum an oder unterdrücken es. Ähnliche Signalwege haben sich auch für die Wahrnehmung von abiotischem Stress entwickelt. Hohe Salzkonzentrationen, Kälte oder übermäßige Trockenheit lösen im Zellkern vielfältige Reaktionen aus, die die Zelle vor den schädlichen Einflüssen schützen sollen. Aber die einzelnen Netzwerke aus Signalmolekülen müssen Information austauschen, denn eine Pflanze sollte trotz optimaler Lichtverhältnisse ihr Wachstum beschränken können, wenn der Boden plötzlich salziger wird oder die Außentemperatur sinkt. Eine Entdeckung des Forschungsteams um Prof. Gunther Neuhaus vom Institut für Biologie II der Uni Freiburg hat die alte Vermutung der Zellbiologen in der Pflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) bestätigt.

Ein zirkadian reguliertes Protein

Hefekolonien wachsen unter hohen Salzkonzentrationen nur wenig (linke Spalte). Hefe, in die die zwei Salztoleranzgene STH und STO (mittlere und rechte Spalte) eingeführt wurde, hat hingegen weniger Probleme. (Abbildung: AG Prof. Gunther Neuhaus)
Dabei untersuchten Neuhaus und seine damalige Arbeitsgruppe aus Zürich eigentlich, wie Calcium und Calcium-bindende Proteine abiotischen Stress in der Hefe regulieren. In dem sie das Gen für einen Calciumkanal in der Membran des Einzellers ausschalteten, hoben sie die Toleranz des Organismus gegenüber hohen Salzkonzentrationen auf und bremsten sein Wachstum unter Salzstress. Als sie daraufhin verschiedene Gene von Arabidopsis in die Hefezellen einführten, „retteten“ einige von ihnen die salzempfindlichen Mutanten, die Hefezellen konnten dann trotz Salzstress wieder normal wachsen. Auf eines dieser Gene – das bereits bekannte SALT TOLERANCE (STO) – konzentrierten sich die Forscher in Folge. „Es war reiner Zufall, dass wir uns gerade STO herauspickten“, sagt Neuhaus. „Aber inzwischen wissen wir, dass es noch viel mehr kann.“

Nach seinem Wechsel zum Lehrstuhl für Zellbiologie in Freiburg wollte Neuhaus mit seiner Arbeitsgruppe um Dr. Marta Rodríguez Franco prüfen, welche Rolle STO in der Pflanze Arabidopsis spielt, aus der es ursprünglich stammt. Aber obwohl ein japanisches Team schon zuvor gezeigt hatte, dass das Gen ebenso wie in Hefe Salztoleranz vermittelt, tauchte für die Forscher ein Problem auf. Sie konnten nicht nachweisen, dass erhöhte Salzkonzentrationen zu mehr Proteinprodukten des Gens in der Zelle führen.
Arabidopsis-Keimlinge wachsen schlechter, wenn das Gen STO ausgeschaltet wird (vier Keimlinge in der Mitte) (Abbildung: AG Prof. Gunther Neuhaus) © AG Prof. Gunther Neuhaus
Stattdessen stellte sich heraus, dass es das Licht sein muss, das die Menge beeinflusst, denn das Protein STO reicherte sich nur tagsüber in den Zellkernen an und verschwand in der Nacht. Damit hatten Neuhaus und seine Arbeitsgruppe gezeigt, dass das Protein zirkadian reguliert wird und vielleicht eine Rolle im Lichtsignalweg spielt. Diese Vermutung erwies sich bald als begründet.

Integration von Kälte und Licht

„Inzwischen wissen wir, dass STO ein negativer Regulator des lichtinduzierten pflanzlichen Wachstums ist“, sagt Neuhaus. „Tagsüber inhibiert es den Signalweg, den Licht normalerweise auslöst und über den es das Wachstum der Pflanze anregt, es macht die Pflanze sozusagen blind.“ Nachts hingegen wird das Produkt des STO-Gens von spezialisierten Enzymen abgebaut. Eine genaue Analyse des Sto-Proteins in Reagenzglasversuchen zeigte dann noch etwas anderes: Das Protein bindet und reguliert wahrscheinlich Gene, die pflanzliche Reaktionen auf Kältestress vermitteln. Und diese Entdeckung faszinierte die Freiburger Wissenschaftler, denn STO befand sich damit am Schnittpunkt zwischen zwei Signalwegen. Sie hatten möglicherweise eine molekulare Schaltzentrale entdeckt, die die Information aus den Licht- und Kältesignalketten miteinander verrechnet.
„Wie das Protein die Information über Kältestress in die von Licht gesteuerten Signalwege integriert, wissen wir noch nicht“, sagt Neuhaus. „Aber um das herauszufinden, kooperieren wir mit verschiedenen Gruppen, die sich auf je einen der Signalwege spezialisiert haben.“ Eine davon sitzt in Finnland und untersucht die zellulären Signalmechanismen, die bei Kälteschocks in Gang kommen. Die „Lichtgruppe“ hingegen ist nicht so weit entfernt. Im Institut für Biologie II müssen Neuhaus und seine Mitarbeiter nur ein Stockwerk tiefer steigen, wo die Experten für Lichtperzeption bei Pflanzen um Prof. Eberhard Schäfer sitzen. Mit dieser Gruppe kooperieren die Zellbiologen um Neuhaus auch im Rahmen des „Zentrums für angewandte Biowissenschaften“ (ZAB) in Freiburg, dessen geschäftsführender Direktor Neuhaus zur Zeit ist.
Das Ziel der gemeinsamen Forschung ist es, die molekularen Vorgänge bei der Interaktion zwischen den zwei Signalwegen genau aufzuklären. „Dieser Weg ist noch sehr weit“, weiß Neuhaus. Aber vielleicht wird dieser Weg Schritt für Schritt einen weißen Fleck in der Zellbiologie ausfüllen.

mn – 17.06.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen zum Beitrag:
Prof. Dr. Gunther Neuhaus
Zellbiologie
Institut für Biologie II
Universität Freiburg
Tel.: +49 (0)761/2032673
Fax: +49 (0)761/2032675
E-Mail: gunther.neuhaus@biologie.uni-freiburg.de
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/eine-schaltzentrale-fuer-licht-und-kaelte