Photosynthese: Neue Einblicke in den Mineralstoffhaushalt von Chloroplasten

Pflanzen binden jährlich etwa 258 Milliarden Tonnen CO₂ in ihren Chloroplasten, deren Funktionsfähigkeit jedoch essenziell von Metallionen wie Eisen, Mangan, Kupfer und Zink abhängt. Da Störungen dieses Ionenhaushalts das Wachstum und den Ertrag massiv beeinträchtigen, hat ein Team um den LMU-Biologen Professor Hans-Henning Kunz das „Chloroplasten-Ionom“ – die Gesamtheit aller Metallionen im Chloroplast – verschiedener Arten entschlüsselt. Diese Erkenntnisse schaffen die Basis, um die mineralische Regulation in den Zellorganellen zu verstehen und künftig neue biotechnologische Strategien zu entwickeln.

Den Metallhaushalt der Pflanzen verstehen

Da viele molekulare Mechanismen zur Regulierung des Ionenhaushalts in Chloroplasten noch im Dunkeln liegen, stellt die Charakterisierung des bislang unzureichend beschriebenen „Chloroplasten-Ionoms“ einen entscheidenden Fortschritt dar. Um diese Wissenslücke zu schließen, untersuchte ein Forschungsteam die Elementzusammensetzung von Chloroplasten und Blättern bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sowie drei weiteren Arten: dem Metall-Hyperakkumulator Arabidopsis halleri, Pisum sativum (Erbse) und Nicotiana benthamiana. Durch die Analyse von Ähnlichkeiten und Unterschieden zwischen diesen Spezies konnten grundlegende Einblicke in die metallische Architektur der Photosynthese-Zentralen gewonnen werden.

„Dabei haben wir gefunden, dass die Metallkonzentration in den Chloroplasten über alle Arten hinweg relativ ähnlich war – sogar bei dem Hyperakkumulator A. halleri, der im Blattgewebe etwa 23-mal mehr Zink hatte als die anderen Spezies, waren die Zink-Gehalte in den Chloroplasten etwa auf dem Niveau der anderen Pflanzen“, sagt Lorenz Holzner. „Dies deutet darauf hin, dass Pflanzen den Metallgehalt ihrer Chloroplasten innerhalb bestimmter Bereiche konstant halten, um die Photosynthese vor einem Metallüberschuss zu schützen.“

Genetische Stellschrauben im Chloroplasten-Ionom

Eine markante Ausnahme im Vergleich der Pflanzenarten stellten die Eisen-Ionen dar, deren Konzentration in den Chloroplasten von A. halleri doppelt so hoch ausfiel wie bei A. thaliana. Ausgehend von dieser Beobachtung untersuchte das Forschungsteam am Beispiel von Eisen, inwieweit sich das Chloroplasten-Ionom durch genetische Modifikationen gezielt steuern lässt. „Tatsächlich sorgte die Mutation eines spezifischen Eisentransportproteins dafür, dass sich Eisen in den Chloroplasten auf das 14-fache anreicherte“, erklärt Holzner.

Chloroplasten als biologische Eisenspeicher

Die Autoren der Studie vermuten, dass das überschüssige Eisen innerhalb der Chloroplasten in speziellen Eisenspeicherproteinen, den sogenannten Ferritinen, gebunden wird. Diese Annahme stützt sich auf die Beobachtung, dass der Eisengehalt in Mutanten ohne diese Proteine wieder erheblich sank. „Unsere Studie zeigt, dass Chloroplasten mit Hilfe der Ferritine in große Eisenspeicher umgewandelt werden können“, sagt Kunz. „Insgesamt liefern unsere Ergebnisse wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer biotechnologischer Konzepte, um die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen zu stärken, Erträge zu verbessern und den Nährstoffgehalt unserer Nahrung je nach Bedarf anpassen zu können.“

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (02/2026)