Wie Pflanzen ihren Zuckerhaushalt regulieren

Als wichtige Nährstoffe vermitteln Metalle, beispielsweise Kupfer, die Funktionen vieler Proteine. Ist dieses Element Mangelware, können Pflanzen seine Aufnahme steigern und schalten auf kupferunabhängigere Stoffwechselwege um. Entscheidend dafür ist das Protein Squamosa Promoter-Binding Protein-Like 7, kurz SPL7. Es gehört zu der Gruppe von Proteinen, die regulieren können, welche Gene verstärkt abgelesen und somit welche Proteine vermehrt hergestellt werden. Wie Forschende der Ruhr-Universität Bochum (RUB) nun herausfanden, ist SPL7 zusätzlich auch für den Energiestoffwechsel unerlässlich.

Das berichtet ein Team um Prof. Dr. Ute Krämer vom Lehrstuhl für Molekulargenetik und Physiologie der Pflanzen der RUB gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Max-Planck-Institute für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam in der Zeitschrift „The Plant Cell“, online veröffentlicht am 22. Juli 2022.

Pflanzen stellen in der Fotosynthese aus Kohlendioxid und Wasser allein mittels Lichtenergie Zucker her. Daraus gehen energiereiche Stoffe hervor, welche die Grundlage allen Lebens auf der Erde sind. „Das in dieser Studie verbesserte Verständnis davon, wie Pflanzen ihren Zuckerhaushalt steuern, kann für die Entwicklung von neuen pflanzenbasierten biotechnologischen Verfahren nützlich sein“, sagt Ute Krämer. „Die Erkenntnisse könnten auch helfen, landwirtschaftliche Erträge auf Kupfermangelböden zu steigern.“

Blind für den eigenen Energiestatus

Das Bochumer Team untersuchte Mutanten der Modellpflanze Arabidopsis, die das Protein SPL7 nicht herstellen können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass diese Mutanten Zucker nicht verwerteten, sondern in ihren Geweben anreicherten. Obwohl sie viel Zucker, also viel Energie, zur Verfügung hatten, wuchsen sie kaum. „Wir vermuten, dass Mutanten ohne SPL7 darin beeinträchtigt sind, ihren hohen Energiestatus zu erkennen oder ihn in entsprechende Wachstumsreaktionen umzusetzen“, folgert Krämer.

Möglicherweise unbekannte Signalwege beteiligt

Das würde bedeuten, dass SPL7 eine regulatorische Funktion im Energiestoffwechsel von Pflanzen hat – neben dem Anschalten der Kupfermangelantwort. Diese neu entdeckte regulatorische Verbindung spiegelt wider, dass entscheidende Proteinfunktionen im Energiestoffwechsel kupferabhängig sind – sowohl in der Fotosynthese von Landpflanzen als auch in der Atmung. Die am besten untersuchten pflanzlichen Zuckersignalwege funktionierten in den SPL7-Mutanten normal. Das Forschungsteam geht daher davon aus, dass bislang unbekannte Signalwege beteiligt sein könnten.

In weiteren Arbeiten möchte das Team erforschen, wie SPL7 es Pflanzen ermöglicht, Zucker zu verwerten. Der erste Schritt dafür ist mit der aktuellen Arbeit bereits getan. Das Forschungsteam identifizierte alle Gene, deren Aktivität direkt von SPL7 gesteuert wird. In Zukunft will die Arbeitsgruppe nun ergründen, wie einige dieser Gene die Zuckerverwertung ermöglichen.

Förderung

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Kr1967/15-1, Kr1967/3-3, Graduiertenkolleg 2341 MiCon), der Europäischen Kommission (ERC-AdG LEAP-EXTREME, Grantnummer788380) und der Wilhelm und Günter Esser-Stiftung gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ute Krämer
Lehrstuhl für Molekulargenetik und Physiologie der Pflanzen
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 28004
E-Mail: ute.kraemer@rub.de

Originalpublikation:

Anna Schulten, Björn Pietzenuk, Julia Quintana, Marleen Scholle, Regina Feil, Marcus Krause, Maida Romera-Branchat, Vanessa Wahl, Edouard Severing, George Coupland, Ute Krämer: Energy status-promoted growth and development of Arabidopsis require copper deficiency response transcriptional regulator SPL7, in: The Plant Cell, 2022, DOI: 10.1093/plcell/koac215

http://www.ruhr-uni-bochum.de/