Das Institut für Botanik der Leibniz Universität Hannover hat einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung der Photosynthese erzielt, einem Prozess, der für das Leben auf der Erde von elementarer Bedeutung ist. Photosynthese ermöglicht es Pflanzen, Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln, indem sie aus Wasser und Kohlendioxid Zucker herstellen. Dabei wird auch Sauerstoff freigesetzt, was für die Atmosphäre der Erde unerlässlich ist. In den Zellen grüner Blätter finden diese komplexen biochemischen Reaktionen in speziellen Organellen, den Chloroplasten, statt.
Bei der Keimung verfügen Pflanzensamen jedoch noch nicht über funktionierende Chloroplasten. Erst nach dem Aufkeimen müssen die jungen Pflanzen diesen Photosynthese-Apparat aufbauen, was eine Vielzahl von Chlorophyll- und Proteinmolekülen erfordert. Der genaue Mechanismus, wie und wann dieser Aufbau in den Pflanzenzellen eingeleitet wird, ist bislang nur unzureichend verstanden.
In einem bahnbrechenden Forschungsprojekt haben Pflanzenphysiologen der Leibniz Universität Hannover eine Mutante untersucht, die eine Störung in der Chloroplasten-RNA-Polymerase aufweist. Diese Mutante konnte die Gene, die für die Photosynthese verantwortlich sind, nicht aktivieren und blieb daher farblos. Die Forscher gelangten zu dem Schluss, dass die Reparatur dieses genetischen Defekts entscheidend für das Verständnis der Chloroplastenentwicklung ist. Dabei integrierten sie einen neuartigen synthetischen Lichtschalter, der unter rotem Licht deaktiviert und unter blauem Licht aktiviert wird.
Dieser innovative Optoswitch ermöglicht es, die Pflanzenlinie BVB09 gezielt mit blauem Licht zu bestrahlen, um die Produktion von Chloroplasten zu steuern. Die Doktorandin Finia Uecker, die bereits einen Master in Pflanzlicher Biotechnologie hat, war maßgeblich an der Entwicklung dieses Lichtschalters beteiligt. Ihre Arbeit wurde im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts durchgeführt, das sich mit der Rolle von RNA-Polymerasen in der Chloroplastenbiogenese befasst.
Uecker konnte nachweisen, dass die Bildung von Chloroplasten nur zu bestimmten Zeitpunkten und in speziellen Geweben erfolgt. Dies stellt einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der molekularen Abläufe dar, die während der Entwicklung von Pflanzen stattfinden. Prof. Dr. Thomas Pfannschmidt, der die Forschungsergebnisse betreut hat, erklärt, dass die BVB09-Linie ein wertvolles Werkzeug für die Optogenetik darstellt. Mit Hilfe dieses Systems können die Wissenschaftler die zeitlichen und räumlichen Aspekte der Chloroplastenbildung detailliert untersuchen.
Die Erkenntnisse, die aus dieser Forschung gewonnen wurden, könnten weitreichende Anwendungen finden. Der entwickelte Optoswitch könnte nicht nur zur Erforschung der Photosynthese genutzt werden, sondern auch zur Analyse neuartiger Gene, die für die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an den Klimawandel von Bedeutung sind. Darüber hinaus könnte er bei der Steigerung der Erträge von Nutzpflanzen sowie in der synthetischen Biologie Anwendung finden, wo Lichtschalter eine zentrale Rolle spielen.
Die erfolgreiche Publikation dieser Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications unterstreicht die Relevanz der Forschung und die Innovationskraft des Teams um Prof. Dr. Pfannschmidt. In einer Zeit, in der die Herausforderungen durch den Klimawandel und die Notwendigkeit einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion immer drängender werden, könnte die Arbeit an synthetischen Lichtschaltern für die Photosynthese einen wichtigen Beitrag zur Lösung dieser globalen Probleme leisten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der entwickelte synthetische Lichtschalter für die Photosynthese nicht nur die Grundlagenforschung bereichert, sondern auch vielversprechende Perspektiven für die praktische Anwendung in der Landwirtschaft und der Pflanzenbiotechnologie eröffnet.
