Ein synthetischer Lichtschalter für die Photosynthese

Pflanzen nutzen die Photosynthese, um mithilfe von Sonnenlicht aus Wasser und Kohlendioxid Zucker zu gewinnen. Dabei bildet der freigesetzte Sauerstoff die Lebensgrundlage der Erde. Dieser Prozess findet in den Chloroplasten der grünen Blätter statt, die in Pflanzensamen jedoch noch nicht funktionsfähig vorhanden sind. Nach der Keimung müssen Sämlinge ihren Photosyntheseapparat erst mühsam aus hunderten Chlorophyll- und Proteinmolekülen aufbauen. Da die molekulare Steuerung sowie der exakte Ort und Zeitpunkt dieses kritischen Entwicklungsschritts bisher weitgehend ungeklärt waren, stellt die Arbeit der Pflanzenphysiologen am Institut für Botanik der Leibniz Universität Hannover (LUH) einen bedeutenden Durchbruch in diesem Forschungsfeld dar.

Gezielte Steuerung der Chloroplasten-Entwicklung

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzten für ihre Untersuchung eine Mutante mit einem Defekt in der Chloroplasten-RNA-Polymerase, die aufgrund unfähiger Photosynthese-Gene weiß bleibt. Durch die Reparatur dieses Gendefekts und den gleichzeitigen Einbau eines synthetischen Lichtschalters – der unter rotem Licht inaktiv ist und bei blauem Licht aktiviert wird – gelang es, die Pflanzenlinie BVB09 gezielt zur Bildung von Chloroplasten anzuregen. Die Doktorandin Finia Uecker, Master der Pflanzlichen Biotechnologie, konstruierte diesen sogenannten Optoswitch im Rahmen des DFG-geförderten Projektes „Die Rolle der mit der plastidär-kodierten RNA-Polymerase assoiierten Proteine (PAPs) in der Biogenese der Chloroplasten in Pflanzen“. Mit diesem Werkzeug konnte sie nachweisen, dass die Erzeugung von Chloroplasten an spezifische Zeitpunkte und Gewebe gebunden ist.

Vielseitige Potenziale der optogenetischen Steuerung

„Die BVB09-Linie funktioniert dabei als optogenetisches Werkzeug, mit dem die molekularen Prozesse zur Bildung des Photosyntheseapparates zeitlich und räumlich genau angeschaut werden können“, erklärt Prof. Dr. Thomas Pfannschmidt, der die Arbeit betreut hat. Über die aktuelle Studie hinaus sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon überzeugt, dass der von ihnen entworfene Optoswitch künftig auch für weitere Fragestellungen eingesetzt werden kann. Mögliche Anwendungsfelder liegen beispielsweise in der Analyse neuartiger Gene zur Klimaresilienz, der Ertragssteigerung von Kulturpflanzen oder in Projekten der synthetischen Biologie, bei denen die präzise Steuerung durch einen Lichtschalter von Vorteil ist.

Quelle

Leibniz Universität Hannover (02/2026)