Das Sonnenlicht liefert die für die Photosynthese und das Wachstum notwendige Energie, setzt die Pflanzen aber auch schädlicher ultravioletter B-Strahlung (UV-B) aus. Pflanzen müssen daher ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Wachstum und Schutz finden.
Bei der Untersuchung von
Marchantia polymorpha, einer Pflanze, die den ersten Landpflanzen ähnelt, beleuchtet ein internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE) die Entwicklung der grundlegenden Mechanismen der UV-B-Wahrnehmung und der Anpassungsstrategien von Pflanzen an Lichtstress.
Das Brunnenlebermoos (Marchantia polymorpha) ist eine uralte Landpflanze, die in ständig feuchten und schattigen Umgebungen wächst.
© UNIGE
In einer Zeit, in der der Klimawandel die Bedingungen der Sonneneinstrahlung verändert, liefern diese in der Fachzeitschrift
Plant Physiology veröffentlichten Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse.
Das Licht, das für die Photosynthese unerlässlich ist, die es Pflanzen ermöglicht, organische Moleküle (Zucker) zu produzieren und die Sauerstoffproduktion anzuregen, kann auch schädliche Auswirkungen auf sie haben. Genau wie beim Menschen können UV-B-Strahlen Schäden an der DNA oder den Zellmembranen verursachen und zudem die für die Photosynthese verantwortlichen Mechanismen beeinträchtigen.
Im Laufe der Evolution haben Pflanzen ein System entwickelt, das auf einem Schlüsselphotorezeptor, UVR8, basiert, um sich vor UV-B-Strahlen zu schützen. Wenn dieser Sensor UV-B-Strahlen absorbiert, löst er eine Kaskade molekularer Reaktionen aus, die die Expression vieler Gene und die Produktion von Molekülen verändern, die am Schutz und an der Akklimatisierung beteiligt sind.
Bei modernen Blütenpflanzen, insbesondere der Acker-Schmalwand, umfasst dieser Signalweg mehrere regulatorische Proteine, die die Expression vieler Gene steuern, die mit Wachstum und Toleranz gegenüber Lichtstress zusammenhängen. Aber wie hat sich dieser Abwehrmechanismus im Laufe der Evolution entwickelt?
Das Labor von Roman Ulm, ordentlicher Professor am Departement für Pflanzenwissenschaften der Sektion Biologie der naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, hat sich dem Brunnenlebermoos (
Marchantia polymorpha) zugewandt, einer Art aus einer Linie, die vor mehr als 400 Millionen Jahren entstand, als die ersten Pflanzen begannen, das Festland zu besiedeln.
Wenn die grundlegenden ‚Bausteine' des Systems bereits sehr früh in der Pflanzenevolution vorhanden waren, wurden ihre Organisation und Regulation im Laufe der Zeit schrittweise umgestaltet.
Ein uraltes Abwehrsystem
Die Wissenschaftler zeigen, dass der grundlegende Mechanismus der UVR8-Aktivierung bemerkenswert konserviert ist zwischen
Marchantia und heutigen Blütenpflanzen. Dieser urzeitliche Kern umfasst insbesondere die Aktivierung des Photorezeptors UVR8 durch UV-B sowie seinen Deaktivierungsmechanismus.
Die Studie zeigt jedoch auch eine bedeutende Entwicklung der Interaktionen zwischen diesen Komponenten. "Unsere Arbeit zeigt, dass bei
Marchantia polymorpha bestimmte regulatorische Proteine andere Rollen spielen als bei moderneren Pflanzen.
Zum Beispiel spielt das Protein SPA, das bei der Acker-Schmalwand zusammen mit dem zentralen Regulator COP1 die Kontrolle des Pflanzenwachstums übernimmt, bei
Marchantia eine ganz andere Rolle. Während es bei Blütenpflanzen maßgeblich an der Regulierung der Entwicklung beteiligt ist, ist sein Einfluss bei diesem urzeitlichen Lebermoos viel begrenzter.
Marchantia-Mutanten ohne SPA zeigen sogar eine erhöhte Toleranz gegenüber UV-B, was darauf hindeutet, dass dieses Protein hier als Bremse der Schutzreaktion wirkt", erklären Yuanke Liang und Roman Podolec, Postdoktoranden im Labor von Roman Ulm und Co-Erstautoren der Studie.
"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass, obwohl die grundlegenden ‚Bausteine' des Systems bereits sehr früh in der Pflanzenevolution vorhanden waren, ihre Organisation und Regulation im Laufe der Zeit schrittweise umgestaltet wurden", fasst Roman Ulm zusammen.
Indem sie ein neues Licht auf die Evolution der Lichtanpassungsmechanismen wirft, trägt diese Studie zu einem besseren Verständnis der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber Umweltstress bei. Im Kontext des Klimawandels könnten diese Erkenntnisse helfen, die Reaktionen von Pflanzen auf sich ändernde Lichtverhältnisse vorherzusehen.
Quelle: Universität Genf