Wissenschaftler aus München und Heidelberg schlagen Brücke zwischen Stoffwechsel und Genregulation und gewinnen neue Erkenntnisse zur pflanzlichen Reaktion auf Umwelteinflüsse

Die Photorespiration ist ein zellulärer Umbauprozess, bei dem Pflanzen unter Einwirkung von Licht Kohlenstoffdioxid freisetzen und Sauerstoff verbrauchen. Sie galt bislang als ein besonders verschwenderisches Nebenerzeugnis der Photosynthese. Dieser Vorgang spielt jedoch eine wichtige Rolle für den Erhalt des pflanzlichen Epigenoms, das in Reaktion auf Umwelteinflüsse steuert, welche Gene ein- oder ausgeschaltet werden. Das zeigen Untersuchungen, die Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München, der Technischen Universität München und der Universität Heidelberg durchgeführt haben. Danach liefert die Photorespiration Kohlenstoffatome, die für die umweltbedingte Veränderung der Pflanzen-DNA notwendig sind.

In ihren Experimenten am pflanzenbiologischen Modellorganismus der Acker-Schmalwand haben die Forscherinnen und Forscher mögliche Verbindungen zwischen Photorespiration, Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel (C1-Stoffwechsel) sowie der sogenannten DNA-Methylierung in den Blick genommen. Dieser epigenetische Mechanismus ermöglicht es Pflanzen, sich an ihre Umweltbedingungen anzupassen. Dabei werden kleine Methylgruppen mithilfe von Enzymen an bestimmte Grundbausteine der pflanzlichen DNA angeheftet. Als chemische Markierungen sorgen sie dafür, dass die Aktivität bestimmter Gene gedämpft oder gänzlich abgeschaltet wird. Erzeugt werden die Methylgruppen im Zuge des C1-Stoffwechsels.

„Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass es einen metabolischen, das heißt stoffwechselbedingten Zusammenhang zwischen Photorespiration und der epigenetischen Regulierung der Pflanzen gibt“, so Prof. Dr. Rüdiger Hell, der am Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg die Forschungsgruppe „Molekulare Biologie der Pflanzen“ leitet. Gemeinsam mit Dr. Markus Wirtz, der zu physiologischen Stressreaktionen von Pflanzen forscht, hat er die in diesem Zusammenhang entscheidenden Stoffwechselprodukte quantifiziert.

Mithilfe von genomweiten Analysen haben die Forscherinnen und Forscher außerdem untersucht, wie sich erhöhte Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid (CO₂) auf das Methylom – die Gesamtheit aller DNA-Methylierungen in einem pflanzlichen Genom – auswirken. CO₂ unterdrückt die Photorespiration und damit die Produktion von C1-Stoffwechselprodukten. Insbesondere dann, wenn auch alternative Quellen von C1 begrenzt waren, veränderte sich entsprechend das Methylom der Acker-Schmalwand.

Wie die Wissenschaftler betonen, ist die Photorespiration damit nicht bloß ein verschwenderisches Nebenerzeugnis der Photosynthese. Vielmehr ist sie als Lieferant für C1-Stoffwechselprodukte ein wichtiger Mechanismus in der epigenetischen Steuerung der Pflanzen. „Im Zusammenspiel ermöglichen unsere Forschungsergebnisse ein besseres Verständnis davon, wie sich steigende CO₂-Konzentrationen und Umweltveränderungen auf die pflanzliche Genomregulation auswirken können. Daraus lassen sich auch potenzielle neue Ansätze für künftige Strategien zur Optimierung von Nutzpflanzen ableiten“, betont Dr. Martin Groth, der am Helmholtz Zentrum München die Forschungsarbeiten geleitet hat.

Die Forschungsarbeiten wurden mit Mitteln der Europäischen Union und der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Plants“ erschienen.