Photosynthese auch bei Hitze: Helferprotein sichert die Bildung von Chlorophyll ab

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Neue Studie zeigt Hitzeschutzfunktion des Chaperon cpSRP43

Sperrfrist: 2. September 2021 at 17:00 (Berlin time), 16:00 (London time),
at 11:00 (US Eastern Time).

Mithilfe komplexer Stoffwechselprozesse stellen Pflanzen Chlorophyll her –
den Stoff, der Pflanzen ihre grüne Farbe verleiht und Photosynthese
ermöglicht. Dass die sogenannte Chlorophyllbiosynthese auch bei Hitze
reibungslos funktioniert, verdanken die Pflanzen einem bestimmten
Helferprotein: dem Chaperon cpSRP43. Es sorgt dafür, dass wichtige
Stoffwechselenzyme auch in der Mittagshitze ihre Form behalten und für die
Chlorophyllproduktion sorgen.

Das zeigen Wissenschaftler:innen des Instituts für Biologie der Humboldt-
Universität zu Berlin (HU) und des California Institute of Technology
(Caltech). Für die Studie, die nun in der Fachzeitschrift Nature Plants
erschienen ist, setzten die Forscher Pflanzen Hitzestress aus und
analysierten Enzyme im Labor. Dabei entdeckten sie die wichtige
Hitzeschutzfunktion des Chaperons cpSRP43.

Auch der Stoffwechsel von Pflanzen ist hitzeempfindlich

Pflanzen können sich vor extremen Umweltbedingungen nicht verstecken und
müssen ihre Stoffwechselaktivitäten schnell an unterschiedliche
Temperaturen oder Lichtintensitäten anpassen. Auch die zahlreichen Enzyme
und Regulatorproteine, die an den komplexen Stoffwechselprozessen
beteiligt sind, reagieren auf die wechselnden Umweltbedingungen
empfindlich. Hitze oder hohe Lichtintensität können die Funktion und drei-
dimensionale Struktur von Proteinen erheblich beeinträchtigen und sie
funktionslos machen. Damit dies nicht passiert und die Proteine ihre
Funktion beibehalten, haben auch Pflanzen verschiedene Schutzsysteme
entwickelt, die die Proteine vor Oxidationen, Verklumpung oder
Strukturveränderungen schützen. Dazu gehören auch Chaperone, die als
unterstützende Proteine dafür sorgen, dass wichtige Proteine korrekt
gefaltet werden, also ihre richtige drei-dimensionale Form einnehmen und
beibehalten.

Chaperon cpSRP43 schützt Enzyme vor falscher Faltung

Einer der wichtigsten Stoffwechselprozesse von Pflanzen ist die
Chlorophyllbiosynthese. Auch bei großer Hitze oder starker Sonnenstrahlung
müssen Pflanzen die Chlorophyllproduktion aufrechterhalten, um die
Photosynthese so abzusichern, dass sie für die Energieumwandlung des
Sonnenlichtes adäquat ist. Wie Pflanzen dies schaffen, konnten Shuiling
Ji, Dr. Peng Wang und Prof. Bernhard Grimm aus der Arbeitsgruppe
Pflanzenphysiologie des Instituts für Biologie an der HU Berlin gemeinsam
mit Kolleg:innen von der Caltech nun zeigen. Das Chaperons
„chloroplastidäres Signalerkennungspartikel 43“ (cpSRP43) schützt wichtige
Enzyme während der Chlorophyllbiosynthese vor einer falschen Faltung durch
Hitze.

Chlorophyllbiosynthese wird auch bei Hitze ermöglicht

Schon länger ist bekannt, dass das Chaperon cpSRP43 und sein
Partnerprotein cpSRP54 gemeinsam einen anderen Stoffwechselprozess in
Pflanzenzellen unterstützen: Sie sorgen für den Transport der LHCPs
(light-harvesting chlorophyll-binding proteins) durch die Chloroplasten
und ihre Integration in die Thylakoidmembranen. In Studien mit Pflanzen
und mit Laboruntersuchungen der Enzyme ermittelten die Forscher:innen,
dass sich bei erhöhtem Hitzestress cpSRP43 von seinem Partner cpSRP54 löst
und in einem eigenständigen Einsatz wichtige Enzyme der
Chlorophyllbiosynthese schützt. Es stellt die Stabilität und Löslichkeit
der Enzyme GluTR, CHLH und GUN4 sicher und gewährleistet so, dass in
Pflanzenzellen auch bei hohen Temperaturen die Enzyme gleichmäßig und
störungsfrei im Stoffwechselweg der Chlorophyllbiosynthese arbeiten
können.

„Die Entkopplung des Chaperon cpSRP43 von seinem Partner bei
Hitzeeinwirkung und seine autonome Funktion als Hitzeschutz sind ein
wichtiger Regulationsmechanismus in Pflanzenzellen. Für die Adaptation der
Pflanzen an wechselnde klimatische Bedingungen ist der Mechanismus
essenziell,“ erläutert Gruppenleiter Prof. Dr. Bernhard Grimm die
Studienergebnisse.