Wochenchronik: Pflanzenforschung und Botanik #25 (2021)

Ein Teilschritt der Photosynthese funktioniert nur dann korrekt, wenn ein „Kontrolleur“ und ein „Motivator“ die Aktivität des zentralen Proteins steuern. Wie das Team um Prof. Dr. Dario Leister der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) im Fachjournal Nature Communications schildert, kontrollieren sich drei Proteine bei einem Teilprozess der Photosynthese wechselseitig, nämlich PGRL1, PGRL2 und PGR5. Die Biologinnen und Biologen identifizierten nun PGRL2 als drittes beteiligtes Protein. Leister zeichnet ein anschauliches Gesamtbild: „PGRL1 ist der Motivator von PGR5, und PGRL2 der Kontrolleur. Ohne Motivator ist PGR5 inaktiv, ohne Kontrolleur arbeitet es sich ganz gut, aber ohne Motivator und Kontrolleur zeigt PGR5 eine zu hohe bis zerstörerische Aktivität.“

Quelle: LMU

Jüngste Weiterentwicklungen der Elektronen-Kryomikroskopie machen es möglich, eine Schwelle in der pflanzengenetischen Grundlagenforschung zu überschreiten: Die Arbeitsgruppe von Dr. Jennifer Senkler und Prof. Hans-Peter Braun vom Institut für Pflanzengenetik der Leibniz Universität Hannover (LUH) konnte erstmalig die atomare Struktur der mitochondrialen NADH-Dehydrogenase, eines Schlüsselenzyms der Zellatmung, in der Pflanze Arabidopsis thaliana und der Grünalge Polytomella sp.darstellen. Dieses bildgebende Verfahren ist erst seit kurzer Zeit technisch möglich. Durch die neuen Einblicke können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun Erkenntnisse über die genaue Funktionsweise der pflanzlichen Zellatmung gewinnen, die bislang in dieser Detailschärfe nicht möglich waren. Ihre Ergebnisse publizierten sie im Fachjournal The Plant Cell.

Quelle: LUH

Was für das Wiesland gilt, gilt offenbar auch für das Ackerland: Mischkulturen sind ertragreicher als Monokulturen. Das zeigt ein Team um Professor Christian Schöb von der Eidgenössischen Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich). In ihrem Experiment testeten die Forschenden von acht ausgewählten Arten jeweils Mischungen aus zwei respektive vier verschiedenen Nutzpflanzen, wie Weizen, Hafer, Quinoa, Linsen, Lupine, Lein und Leindotter (eine Ölsaat ähnlich wie Raps) sowie Koriander. Das Resultat war deutlich: Schon ab Mischungen von zwei Arten stieg der Ertrag gegenüber dem Anbau in Monokultur um 3 Prozent in Spanien und um 21 Prozent in der Schweiz. Säten die Forschenden vier Arten nebeneinander an, betrug der Mehrertrag sogar 13 beziehungsweise 44 Prozent in Spanien und der Schweiz. Ihre Studie ist soeben in der Fachzeitschrift Nature Plants erschienen.

Quelle: ETH Zürich

Die als Plastizität bezeichnete Fähigkeit bestimmter Pflanzen, sich durch Veränderung ihrer Physiologie an zukünftige Umweltherausforderungen anzupassen, unterstützt die zukünftige Evolution in einer Weise, die immer von den spezifischen Herausforderungen abhängt, denen sich die Arten bei der Entwicklung ihrer spezialisierten Ökologie stellen müssen. Das hat ein internationales Team herausgefunden beim Vergleich von Arabidopsis thaliana mit zwei ihrer nahen Verwandten, A. lyrata und A. halleri, vor und während der Exposition durch schweren Trockenstress herausgefunden. Nach dem im Labor von Professorin Dr. Juliette de Meaux an der Universität zu Köln entwickelten Versuchsansatz, charakterisierten das Team die Plastizität und Evolution der Expression von zehntausenden von Genen. Die Autorinnen und Autoren konnten die Anzahl der Mutationen ermitteln, die sich in den Abstammungslinien von A. lyrata und A. halleri entwickelten, um die Plastizität der Genexpression zu erhöhen oder zu verringern. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich diese Rate zwischen den Arten ändert. In der trockenheitstoleranten Art A. lyrata entdecken sie viel mehr Mutationen, die die Evolution einer stärkeren plastischen Reaktion fördern, als in ihrer Schwesterart A. halleri, die mehr Schwierigkeiten hat, den Stress zu überleben. „Diese Arbeit dokumentiert die dynamische Evolution von Plastizität in komplexen Organismen, die mit Umweltveränderungen konfrontiert sind“, erklärt Professorin de Meaux. “Sie zeigt aber auch, dass ihre Rolle als Unterstützung für zukünftige Anpassungen nicht vordefiniert ist, sondern immer von den spezifischen Herausforderungen abhängt, denen sich die Arten bei der Entwicklung ihrer spezialisierten Ökologie stellen müssen." Die Studie erschien im Fachjournal Nature Communications.

Quelle: Uni Köln

Mit Hilfe von Zugvögeln in den Norden umziehen, wenn es im Süden durch den Klimawandel zu warm wird – eigentlich eine tolle Idee für wenig mobile Pflanzen. Eine neue Studie im Fachjournal Nature zeigt nun, dass das entgegen bisheriger Annahmen aber lediglich bei wenigen Pflanzenarten funktionieren dürfte. Demnach reisen nur die Samen der Pflanzenarten als blinder Passagier bei Zugvögeln nordwärts mit, deren Fruchtperiode sich mit dem Frühjahrszug überschneidet. Zudem liegt die Last der potenziellen Ausbreitung der Pflanzen in kühlere Gefilde auf den Federn einiger weniger paläoarktischer Vogelarten.

Quelle: Senckenberg

Mit Hilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie hat ein internationales Forschungsteam die Struktur eines Proteins aufgeklärt, das photosynthetische Membranen aufbaut und aufrechterhält. Sie enthüllten, wie das Protein VIPP1 (vesicle-inducing protein in plastids) zur Bildung der Thylakoidmembranen beiträgt und erstellten dazu 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. „Unsere Studie zeigt, dass VIPP1 eine zentrale Rolle sowohl bei der Entstehung der Thylakoide als auch bei ihrer Anpassung an Umweltveränderungen spielt“, erklärt Erstautor Tilak Kumar Gupta vom Max-Planck-Institut für Biochemie. Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für biotechnologische Anstrengungen, um Pflanzen gegen Umweltstress zu stärken und so die menschliche Nahrungsversorgung zu sichern und den Klimawandel zu bekämpfen. Ihre Ergebnisse veröffentlichte das Team unter Leitung des Helmholtz Zentrums München im Fachjournal Cell.

Quelle: Helmholtz München

Ein Forschungsteam untersuchte, ob Strukturen wie stehendes Holz in Wäldern helfen, die Vielfalt von Wildbienen zu fördern. Darüber hinaus analysierten die Forschenden, welche weiteren natürlichen Gegebenheiten des fichtendominierten Waldes Wildbienen beim Überleben unterstützen. Dabei zeigte sich, dass die Schaffung von Totholz in Nadelwäldern eine vielversprechende Wiederherstellungsmaßnahme darstellt, um das Vorkommen von oberirdisch nistenden Bienen zu fördern. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Tristan Eckerter von der Professur für Naturschutz und Landschaftsökologie der Universität Freiburg in der Zeitschrift Forest Ecology and Management veröffentlicht.

Quelle: Uni Freiburg

Das voranschreitende Artensterben stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit im 21. Jahrhundert dar. Um diesem entgegenwirken zu können, müssen die bedrohten Arten bekannt und ihre Funktionen im Ökosystem verstanden sein. Deutschlandweit gibt es jedoch nur noch wenige Personen, die über vertiefte Artenkenntnisse verfügen und in der Lage sind, seltene Tier-, Pflanzen- und Pilzarten sicher zu bestimmen. Das Land Baden-Württemberg hat den Handlungsbedarf erkannt und die Landeskompetenzinitiative „Integrative Taxonomie“ gestartet. Mit dem „Kompetenzzentrum Biodiversität und integrative Taxonomie“ (KomBioTa) nimmt deren Herzstück nun seine Arbeit auf. Das melden gemeinsam die Universität Hohenheim, das Staatliche Museum für Naturkunde Stuttgart (SMNS), und das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst in Baden-Württemberg.

Quelle: SMNS

Ein neuartiges regulatorisches Molekül haben Froschende identifiziert und zeigen im Fachjournal wie es die Toleranz von Pflanzen gegenüber Umweltstress verbessert. Das Team um Dr. Aleksandra Skirycz - bis vor kurzem Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, nun Professorin am Boyce Thompson Institute (BTI) in den USA -fand heraus, dass Pflanzen die NADPH-Produktion als Reaktion auf verschiedene Stresssituationen anregen, wie sie im EMBO Journal belegen. Dieser Mechanismus beinhaltet eine niedermolekulare Verbindung, ein Dipeptid Tyr-Asp. Tyr-Asp wirkt, indem es den pflanzlichen Kohlenstoff-Stoffwechsel so moduliert, dass Glukose, ein universeller Baustein, in Richtung der Produktion von NADPH verschoben wird. Konkret greift Tyr-Asp in den Glukosestoffwechsel ein, indem es ein glykolytisches Schlüsselenzym, die Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (GAPC), hemmt und so die Glukose auf den Pentosephosphatweg (PPP) und die NADPH-Synthese umleitet. In Übereinstimmung mit den molekularen Daten verbesserte Tyr-Asp die Pflanzenresistenz gegenüber oxidativem und Salzstress.

Quelle: MPI für molekulare Pflanzenphysiologie

Wie eine Studie zeigt, wachsen Bäume vor allem im Dunkeln, weil das Wachstum bei Sonnenlicht durch die trockenere Luft gehemmt wird, selbst bei feuchten Bodenverhältnissen. Daher wachsen Bäume nur für eine geringe Anzahl von Stunden pro Tag und dies auch nur an vergleichsweise wenigen Tagen pro Jahr. Die Studie unter Leitung der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) widerlegt damit den weit verbreiteten Irrtum, dass Bäume mehrheitlich tagsüber wachsen. Das berichten die Forschenden im Fachmagazin New Phytologist.  Diese Erkenntnis könnte die Art und Weise verändern, wie wir die Auswirkungen des Klimawandels auf Wälder betrachten, insbesondere für die Vorhersage der Kohlenstoffspeicherung von Bäumen.

Quelle: WSL

Die globale Vegetationsdatenbank "sPlotOpen" ist ab sofort frei zugänglich. Darin versammelt sind Vegetationsaufnahmen von Pflanzen aus 114 Ländern, von allen Klimazonen der Erde. Erarbeitet wurde die Datenbank von einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) und des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS). Erstmals steht so Forschenden weltweit ein ausbalancierter, repräsentativer Datensatz zur Vegetation der Erde zur Verfügung, wie das Team in der Fachzeitschrift Global Ecology & Biogeography berichtet.

Quelle: Uni Halle

Am Beispiel der Weißen Lichtnelke (Silene latifolia) und dem sie bestäubenden Insekt (der Lichtnelkeneule, Hadena bicruris), belegen Forschende der Abteilung Geobotanik am Institut für Ökosystemforschung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), welche Effekte der Lebensraum-Zerstörung den Fortbestand von Pflanzenpopulationen bedrohen kann. Darüber berichten sie im Fachjournal eLife.

Quelle: CAU

Die 3D-Struktur eines katalytischen Metallo-Proteins, das in allen Pflanzenzellen eine wichtige Rolle spielt, haben Forschende nun bestimmt. Es handelt sich dabei um die DYW-Desaminase-Domäne des RNA-Editosoms. In dieser DYW-Domäne sitzt ein Zink-Ion, dessen Aktivität mit einem sehr ungewöhnlichen Mechanismus kontrolliert wird. Das deutsch-japanische Team am BESSY II vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) für Materialien und Energie konnte nun diesen Mechanismus erstmals im Detail aufklären. Die Studie in Nature Catalysis gilt als Durchbruch auf dem Gebiet der molekularen Pflanzenbiologie und hat weitreichende biotechnologische Implikationen.

Quelle: HZB