Water of land? Completely equal – plants control photosynthesis independently of their origin uniformly

Microscopische opname van een chloroplast, waarin de fotosynthese plaatsvindt. (Foto: Dr. Alexander Hertle, MPI voor Moleculaire Plantfysiologie)

Juniorprofessor Dr. Felix Willmund (Foto: TUK)

Planten voeren fotosynthese uit en vormen daarmee de basis voor het grootste deel van het leven op aarde. Onderzoekers uit Kaiserslautern en Potsdam hebben nu onderzocht of de productie van de fotosynthese-eiwitten bij landplanten en algen verschilt. Hiervoor hebben ze de translatie bestudeerd; het proces waarbij de genetische informatie wordt omgezet in eiwitten. Ze hebben ontdekt dat bij alle planten dezelfde hoeveelheden eiwitten hiervoor worden gevormd, maar dat ze daarbij verschillende strategieën gebruiken. Het resultaat laat zien hoe belangrijk deze eiwitten voor planten zijn, ongeacht hun leefomgeving. De bevindingen van de studie kunnen helpen om gewassen resistenter te maken tegen klimaatverandering. Het werk is gepubliceerd in het vakblad “Nature Plants”.

Bij fotosynthese produceren planten uit CO2 met behulp van lichtenergie koolhydraten. Daarbij komt ook zuurstof vrij. Dit biochemisch complexe proces vindt plaats in de chloroplasten; kleine groene organellen die hun eigen erfelijk materiaal bezitten. “Het bevat ook de genen van de eiwitten die betrokken zijn bij fotosynthese,” zegt juniorprofessor Dr. Felix Willmund van de leerstoel Eukaryontengenetik aan de Technische Universiteit Kaiserslautern.

Om deze erfelijke informatie in eiwitten te “omzetten”, wordt eerst een kopie van het erfelijk materiaal gemaakt, de ribonucleïnezuur (RNA). “De kopie dient als een soort bouwplan, waarmee grote moleculaire complexen, de ribosomen, de eiwitten uit afzonderlijke aminozuren assembleren,” zegt eerste auteur Dr. Raphael Trösch, die in de werkgroep Willmund op de campus van Kaiserslautern onderzoek doet. Dit proces wordt ook wel translatie genoemd.

In de huidige studie hebben Trösch en Willmund samen met collega’s onder leiding van Dr. Reimo Zoschke van het Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) in Potsdam-Golm onderzocht of er tussen evolutionair ver uiteenliggende landplanten en algen verschillen bestaan. Ze hebben deze moleculaire processen vergeleken bij een groene alg, de tabaksplant en de akkersmalwandel met behulp van een nieuwe methode. Deze methode heet ribosoomprofilering. Bij deze techniek kijken de onderzoekers naar de RNA en ribosomen die aanwezig zijn tijdens de translatie. Net als een vingerafdruk laten ribosomen sporen achter op de RNA, waardoor de wetenschappers een kenmerkend beeld kunnen maken dat laat zien welke eiwitten in welke hoeveelheid worden geproduceerd. Het bijzondere is: “Met deze techniek krijgen we zowel een overzicht van de hele translatie als kunnen we ook details nader bekijken,” zegt Zoschke, die de werkgroep Translatie-regulatie in planten aan het MPI-MP leidt.

“Bij alle drie de plantensoorten hebben we vastgesteld dat tijdens de translatie dezelfde hoeveelheden eiwitten worden gevormd die een rol spelen bij fotosynthese,” aldus Zoschke. Echter, de onderzoekers hebben ook vastgesteld dat er verschillen bestaan in de moleculaire processen die vóór en tijdens de translatie plaatsvinden. “Desondanks hebben de verschillende planten in de loop van de evolutie mechanismen ontwikkeld om tijdens de translatie dezelfde fotosynthese-componenten in gelijke hoeveelheden te produceren,” zegt Willmund. “Dat onderstreept het centrale belang van deze moleculen.”

Het onderzoek vond plaats binnen de speciale onderzoekscommissie (SFB Transregio TRR175) “The Green Hub – Der Chloroplast als Zentrum der Akklimatisierung bei Pflanzen”. Deze wordt sinds 2016 gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft. Onderzoeksteams uit Berlijn, Potsdam-Golm, München en Kaiserslautern onderzoeken hier hoe planten zich kunnen aanpassen aan veranderende milieufactoren.

Ook de resultaten van de huidige studie tonen aan dat planten met verschillende strategieën keer op keer erin slagen, ondanks diverse leefomstandigheden, een zeer vergelijkbaar fotosyntheseproces te bereiken. Daarom is het belangrijk om dergelijke fundamentele processen te bestuderen, om beter te begrijpen welke mechanismen planten gebruiken om bijvoorbeeld om te gaan met omgevingsinvloeden zoals sterke temperatuur- of lichtveranderingen. In de toekomst moet deze kennis helpen om gewassen resistenter te maken tegen klimaatverandering.

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad “Nature Plants”: “Gemeenschappelijkheid en verschillen in chloroplastentranslatie bij een groene alg en landplanten” DOI: 10.1038/s41477-018-0211-0