Wie passen sich Pflanzen an herausfordernde Umweltbedingungen an: Transregio-Sonderforschungsbereich "The Green Hub" geht in die dritte Runde

Schwankungen in der Lichtintensität und der Umgebungstemperatur sind die zwei Umweltfak­toren, die sich am schnellsten ändern können. So kann sich z.B. die Lichtintensität von geringer Energiedichte zu extrem hohen Werten, innerhalb von Sekunden verändern. Daher müssen Pflanzen, die ihren Standort ja nicht verlassen können, sich besonders rasch und effizient an diese neuen Bedingungen anpassen, was auch als Fähigkeit zur „Akklimatisation“ bezeichnet wird. Dieser Prozess ist auch bei der gezielten Züchtung von Nutzpflanzen von zunehmender Bedeut­ung, da die sich derzeit schnell verändernden klimatischen Bedingungen negative Auswirkungen auf die weltweiten Erträge zeigen.

Seit 2016 befasst sich der Transregio-Sonderforschungsbereich „The Green Hub“ mit der Frage, wie das Zellorganell Chloroplast in diese Akklimatisationsprozesse eingebunden ist. Chloroplasten sind in den Blattzellen der Ort der Photosynthese, in dem Lichtenergie zur Bildung von Zuckern, als erstem Produkt der Photosynthese, genutzt werden. Daher sind es insbesondere Chloro­plasten, die als Zellorganell Änderungen in der Lichtintensität und der Umgebungstemperatur wahrnehmen und dabei unter Stress geraten können. Wie Chloroplasten reagieren und wie sie weitere Prozesse in anderen Teilen der Zelle durch entsprechende Signale steuern, steht im Fokus der Projekte von „The Green Hub“.

Um die korrespondierenden molekularen Vorgänge in ihrer Komplexität vollständig erfassen zu können, ist es notwendig ein breites Feld von experimentellen und konzeptionellen Expertisen zu bündeln. Aus diesem Grund umfasst der gesamte Sonderforschungsbereich derzeit 18 Teilpro­jekte, die von der Ludwig Maximilians-Universität München, der Humboldt Universität zu Berlin, der Universität Bielefeld und unserer RPTU beigesteuert werden. Am Standort Kaiserslautern werden insgesamt sieben Teilprojekte (inklusive einem Zentralprojekt) von Stefanie Müller-Schüssele, Torsten Möhlmann, Timo Mühlhaus, Ekkehard Neuhaus, Michael Schroda, Haim Treves und David Zimmer geleitet. Der Anteil der RPTU an der Initiative konnte durch zwei strategische Berufungen des Fachbereichs Biologie auf die Professuren für Molekulare Botanik (Professorin Stefanie Müller-Schüssele) und Pflanzenmetabolismus (Professor Haim Treves), sowie der nun erfolgten Einbindung von Dr. David Zimmer substanziell gesteigert werden, da ihre Projektvorschläge bisherige Lücken in den wissenschaftlichen Ansätzen in beson­derer Weise geschlossen haben.

Professorin Müller-Schüssele erforscht wie Redoxprozesse in Chloroplasten, die zu einer Veränderung des Oxidations-/Reduktionverhältnisses einzelner Proteine führen, nach dem Einsetzen hoher Lichtintensitäten reagieren. Diese Arbeit sind insbesondere bedeutend, da diese sogenannte Thiol-Switch Regulation die metabolische Aktivität der Chloroplasten feinsteuert, aber auch zur Entgiftung von reaktiven Sauerstoffspezies und der Reparatur von oxidativen Schäden beiträgt.

Dr. Torsten Möhlmann widmet sich der Frage wie die Synthese von Nukleotiden (der ubiquitären Energieform in allen Zellformen) unter Stressbedingungen verändert wird und wie dieser Prozess, überraschenderweise, mit der Synthese von Proteinen im Chloroplasten gekoppelt ist. Im Rahmen dieses spannenden Projekts wurde einzelnen Enzymen völlig neuartige Funktionen zugeordnet, die weit über ihre eigentliche katalytische Aktivität hinausgehen.

In „The Green Hub“ werden mit Hilfe von sogenannten omic-Technologien vergleichsweise riesige Datenmengen erzeugt, die im Projekt von Professor Timo Mühlhaus auf ihren Netzwerkcharakter untersucht werden. Diese Arbeiten erlauben Modelle der molekularen Stressantworten zu entwerfen, da alle pflanzlichen Reaktionsebenen wie Genexpression, Proteinsynthese, Proteinabbau, metabolische Veränderungen und physiologische Reaktionen miteinander korreliert werden können.

Der Chloroplast ist von einer Doppelmembran umgeben und muss über diese sowohl Metabolite wie Signale mit dem Rest der Zelle austauschen. Die Charakterisierung dieser Transportprozesse und der entsprechenden Proteine steht im Fokus der Arbeiten in der Arbeitsgruppe um Professor Ekkehard Neuhaus.

Unter Stress ist die komplizierte Faltung von Proteinen, die ihnen erst ihre Aktivität verleiht, oftmals gestört, so dass aufwändige Reparaturreaktionen ausgelöst werden müssen. Wie dies in Chloroplasten, die eine extrem hohe Proteinkonzentration besitzen, gesteuert wird, steht im Mittelpunkt des Interesses von Professor Michael Schroda, der dazu an der Modellalge Chlamy­domonas reinhardii arbeitet. In diesem Projekt wurden in der letzten Antragperiode u.a. bahn­brechende Erkenntnisse zur Stress-induzierten Störung der Membranlipid-Homöostase und der korrespondierenden Aussendung von Signalen an den Zellkern gewonnen.

Algen sind oftmals auch Anpassungskünstler, wie z.B. Chlorella ohadii, die sich selbst bei extremen Lichtintensitäten, die alle höheren Pflanzen abtöten würden, optimal entwickeln kann. Auch zeigt diese Alge eine Anpassung an tiefe Umwelttemperaturen, da sie als Wüstenbewohner regelmäßig geringe Nachttemperaturen ertragen muss, die von hohen Tagestemperaturen abgelöst werden. Prof. Haim Treves brachte diesen Modelorganismus aus der israelischen Wüste mit nach Kaisers­lautern und wird durch die Bündelung von Genexpressionsanalysen und Metabolismusunter­suchungen ergründen, welche einzelnen Anpassungsmechanismen in dieser Alge die bemerkens­werte Akklimatisationsfähigkeit ermöglicht.

Ohne das von Dr. David Zimmer geleitete Projekt wäre die effiziente Aufarbeitung der riesigen Datensätze unmöglich. Die modernen analytische Ansätze aller experimentell arbeitenden Gruppen liefern riesige Datenmengen, die in diesem Teilprojekt mittels moderner (bio)-informatischer Verfahren auf ihre Güte, Reproduzierbarkeit und Robustheit hin untersucht werden. Insbesondere ist es bedeutend, dass die Daten mittels standardisierter Verfahren gesammelt und gruppiert werden, so dass interne wie externe Kooperationen und spätere Wiedernutzung stark erleichtert werden. Ohne diese modernen informatorischer Ansätze können die biochemisch und physiologisch arbeitenden Gruppen viele ihrer Datensätze nicht angemessen interpretieren. Somit stellt dieses neue Projekt sicher, dass alle erhobenen Informationen in der gebotenen Tiefe interpretierbar sind und nach den sog. FAIR Principles in öffentlichen Repositorien hinterlegt werden.

Im Zentralprojekt, das von Professor Ekkehard Neuhaus geleitet wird, werden Erkenntnisse, die an Modellorganismen erhoben wurden und zu einer Verbesserung der Anpassung an heraus­fordernde Umweltbedingungen führten, auf Nutzpflanzen übertragen. Hierzu wird die Ölsaat Camelina sativa, eine verwandte Art des heimischen Raps, entsprechend genetisch modifiziert und unter Stressbedingungen kultiviert, um sodann Aussagen über die Ölmengen und Ölquali­täten zu gewinnen.

Professor Ekkehard Neuhaus (Standortsprecher des Transregio-SFB) sagt: „Wir freuen uns sehr, dass das internationale Gutachterteam erneut die Qualität und Originalität der Pflanzenwissen­schaften an der RPTU bestätigt hat. Nun blicken wir in die Zukunft, um mit der umfangreichen Förderung seitens der DFG weitere vier Jahre spannende Forschung betreiben zu können.“