Pflanzenschutzmittel von innen

Künstlerische Darstellung der VIPP1-Ringstruktur, mit üppigem Pflanzenleben bedeckt. Sie stellt die zentrale Rolle von VIPP1 beim Aufbau und der Aufrechterhaltung der photosynthetischen Thylakoidmembranen dar, die den Pflanzen das Wachstum ermöglichen. Bildnachweis: Verena Resch. © Helmholtz Zentrum München / Ben Engel

Künstlerische Darstellung der VIPP1-Ringstruktur, mit üppigem Pflanzenleben bedeckt. Sie stellt die zentrale Rolle von VIPP1 beim Aufbau und der Aufrechterhaltung der photosynthetischen Thylakoidmembranen dar, die den Pflanzen das Wachstum ermöglichen. Bildnachweis: Verena Resch. © Helmholtz Zentrum München / Ben Engel

 

Pflanzen, Algen und Cyanobakterien betreiben Photosynthese und nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Sauerstoff und biochemische Energie zu produzieren, die den Großteil des Lebens auf der Erde antreiben. Außerdem nehmen sie Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre auf und wirken so der Anreicherung dieses Treibhausgases entgegen. Durch den Klimawandel sind photosynthetische Organismen jedoch einem zunehmenden Umweltstress ausgesetzt, der ihr Wachstum hemmt und langfristig die Ernährung der Menschheit gefährdet. 

Die wichtigen ersten Schritte der Photosynthese finden innerhalb der Thylakoidmembranen statt. Diese enthalten Proteinkomplexe, die das Sonnenlicht einfangen. Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass das Protein VIPP1 (vesicle-inducing protein in plastids) bei fast allen photosynthetischen Organismen – von Pflanzen an Land bis zu Algen und Cyanobakterien im Meer – entscheidend ist für die Bildung der Thylakoidmembranen. Bisher war es jedoch ein Rätsel, wie VIPP1 diese essentielle Funktion ausführt. Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Ben Engel am Helmholtz Pioneer Campus des Helmholtz Zentrums München hat nun die Struktur und den Mechanismus von VIPP1 auf molekularer Ebene enthüllt.

Mit Hilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie erstellten die Forschenden eine erste hochaufgelöste Struktur von VIPP1. Die Kombination dieser Strukturanalyse mit weiteren funktionellen Untersuchungen zeigte, wie sich VIPP1 zu einer verwobenen Membranhülle zusammensetzt, welche die Thylakoidmembranen formt. Die Forschungsgruppe nutzte auch den hochmodernen Ansatz der Kryo-Elektronentomographie, um VIPP1-Membranen in der nativen Umgebung von Algenzellen abzubilden. Indem sie spezifische Mutationen an VIPP1 vornahmen, beobachteten die Forschenden, dass die Interaktion von VIPP1 mit Thylakoidmembranen entscheidend ist, um die strukturelle Integrität dieser Membranen unter hohem Lichtstress aufrechtzuerhalten. 

Diese Studie legt den Grundstein für ein besseres mechanistisches Verständnis darüber, wie sich Thylakoide bilden und aufrechterhalten. Sie bietet auch neue Möglichkeiten für die Stärkung von Pflanzen, die widerstandsfähiger gegen extreme Umweltbedingungen sind. „Die Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen, die den Thylakoid-Umbau steuern, sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Nutzpflanzen, die nicht nur schneller wachsen, einen höheren Ertrag und eine höhere Resistenz gegen Umweltstress aufweisen, sondern auch mehr atmosphärisches CO2 binden, um dem Klimawandel entgegenzuwirken“, erklärt Ben Engel.