Ein Photosynthese-Enzym als Temperatursensor in Blättern?

Hitzestress bei Pflanzen

Erhöhte Temperaturen als Folge der Klimaveränderung können die Photosynthese und damit die Produktivität von Pflanzen beeinträchtigen. Die artspezifischen Unterschiede bezüglich Hitzetoleranz sind beträchtlich. Ein wichtiges Enzym der Photosynthese wird bei leicht erhöhter Temperatur reversibel und bei stark erhöhter Temperatur irreversibel inaktiviert. Die Hitzeempfindlichkeit dieses Enzyms hängt von der Pflanzenart ab. Wie weit es primär für die Reduktion der Photosyntheseaktivität während und nach einer Hitzestressperiode verantwortlich ist, ist ein zentraler Punkt laufender Forschungsprojekte.

Hohe Temperaturen als
Problem für die Vegetation
Nicht nur weltweit, sondern auch auf lokaler Ebene wachsen Pflanzen an Standorten mit sehr unterschiedlichen Boden- und Klimaverhältnissen. Unter den ökologischen Bedingungen, welche die Verbreitung der einzelnen Pflanzenarten und die Produktivität der landwirtschaftlich genutzten Kulturpflanzen bestimmen, spielen Temperatur und Wasserverfügbarkeit eine entscheidende Rolle. Temperaturunterschiede während der Vegetationsperiode können beträchtlich sein. Pflanzen können durch morphologische und physiologische Veränderungen an spezielle Klimaverhältnisse angepasst sein. Sinkt die Temperatur aber tiefer als die untere Schwelle oder steigt sie über die obere Schwelle des Temperaturbereiches, innerhalb welchem sich eine Pflanze gegen die durch ungünstige Temperaturen bewirkten Störungen schützen kann, so kommt es zu Schädigungen, die nicht mehr rückgängig zu machen sind und die im Extremfall zum Tod des Organismus führen.

Die globale Erwärmung ist einer der wichtigsten Aspekte der in den letzten Jahrzehnten beobachteten Klimaveränderungen. Gekoppelt mit dem fortlaufenden Anstieg der Jahresdurchnittstemperaturen ist eine erhöhte Häufigkeit von Perioden mit überdurchnittlich hohen Temperaturen. Modelle, die von Klimatologen entwickelt wurden, deuten darauf hin, dass das Ausmass und die Frequenz von Ereignissen mit extrem hohen Temperaturen in der Zukunft noch zunehmen werden. Die Vegetation dürfte also häufiger von Hitzestressperioden betroffen sein. Hitzeperioden sind oft auch trockene Perioden. Die Kombination von Hitze und Trockenheit versetzt die Pflanzen in eine besonders schwierige Situation, weil sie einerseits mit dem Wasser haushälterisch umgehen müssen, andererseits aber auch die Temperatur mittels Wärmeabgabe durch die Transpiration regulieren sollten. Bei Sonneneinstrahlung kann die Blatttemperatur deutlich höher als die Lufttemperatur sein (s. Tabelle). Dies gilt insbesondere, wenn die Pflanzen ihre Spaltöffnungen schliessen, um den Wasserverlust zu vermindern. In den wärmsten Regionen der Schweiz, wie zum Beispiel im Zentralwallis, ist es schon heute nicht mehr selten, dass Lufttemperaturen über 35°C gemessen werden. Blatttemperaturen können also auch in unseren Breitengraden vorübergehend auf über 40°C ansteigen. Viele Pflanzenarten, vor allem aber diejenigen, die an ein gemässigtes Klima angepasst sind, könnten dadurch vermehrt unter akutem Hitzestress leiden. Auswirkungen auf die Produktivität hitzeempfindlicher Kulturpflanzen und Veränderungen in der Flora sind zu erwarten.

Beeinträchtigung der
Photosynthese durch Hitze
Hohe Temperaturen beeinflussen die Pflanzen auf vielfältige Art und Weise. Viele Studien haben aber gezeigt, dass der Photosyntheseapparat in den Chloroplasten (chlorophyllhaltige Zellbestandteile) auf Hitzestress besonders empfindlich reagiert. Eine Abnahme der Photosyntheserate findet oft schon statt, bevor andere Zellfunktionen durch erhöhte Temperaturen betroffen sind. Bei leichtem bis mittelstarkem Hitzestress, typisch zwischen 30°C und 40°C, wird die Photosynthese zwar gehemmt, aber dieser Prozess bleibt reversibel, ist also noch rückgängig zu machen.

Abb. 1: Photosyntheseaktivität in Erbsenblättern vor, während und nach einem Hitzestress bei verschiedenen Temperaturen.

Oberhalb von 40°C kann der Photosyntheseapparat indessen bereits irreversibel geschädigt werden. Der Zustand des Photosyntheseapparates während und nach einem Hitzestress wird nicht nur durch die Intensität und die Dauer der Stresseinwirkung bestimmt, sondern auch durch eine ganze Reihe anderer Faktoren (z.B. Pflanzenart, Entwicklungsstadium, Wechselwirkungen mit anderen Stressfaktoren). Die Hitzetoleranz des Photosyntheseapparates ist ein wichtiger Faktor für die Empfindlichkeit von Pflanzen gegenüber erhöhten Temperaturen. Es geht daher darum, diejenigen Komponenten des Photosyntheseapparates zu identifizieren, die primär für die Hitzeempfindlickeit der Photosynthese verantwortlich sind.

Schon früh wurde erkannt, dass Komponenten der Thylakoidmembranen in den Chloroplasten (ein Membransystem innerhalb der Chloroplasten, wo die Lichtreaktionen der Photosynthese stattfinden, hitzelabil sind. Extrem hohe Temperaturen bewirken irreversible Schädigungen in der Struktur der Thylakoidmembranen. Bei etwas tieferen Stresstemperaturen wird vor allem eine Komponente in den Thylakoidmembranen beeinträchtigt, nämlich das PhotosystemII (PSII), welches für die Produktion von Sauerstoff verantwortlich ist.

Querschnitt durch einen Chloroplast

Die durch Hitzestress bedingte Reduktion der PSII-Aktivität, welche zu einer gesamthaften Abnahme des photosynthetischen Elektronentransportes führt, beruht primär auf einer Schädigung einer PSII-Komponente, die bei der Wasserspaltung eine wichtige Rolle spielt. Dieser Schaden am Photosyntheseapparat könnte die Hauptursache dafür sein, dass sich die Photosynthese nach einem mittelstarkem Hitzestress meistens nicht mehr gänzlich erholen kann. Andererseits gibt es aber auch Hinweise, dass die Integrität der Thylakoidmembranen beeinträchtigt werden könnte, bevor es zu einer Hemmung der PSII-Aktivität kommt. Eine erhöhte Durchlässigkeit der Membranen ist mit Störungen verbunden, die zu einer Reduktion der CO₂-Assimilationsrate4 führen.

Die Photosyntheseaktivität wird aber oft schon durch Temperaturen gehemmt, welche die Thylakoidmembranen und deren Komponenten nicht beeinträchtigen. Das Enzym Ribulose-1,5-bis-Phosphat-Carboxylase/Oxygenase (kurz «Rubisco» genannt) ist das CO₂-Fixierungsenzym in den Chloroplasten. Das Enzym Rubisco kann sowohl CO₂ wie auch O₂ binden. Die beiden Aktivitäten konkurrenzieren sich gegenseitig. Steigt die Temperatur, so erhöht sich sowohl das Verhältniss O₂/CO₂ am Ort des Enzyms als auch die Verwendung der beiden Substrate durch die Rubisco. So erhöht sich die Oxygenase-Aktivität (d.h. die Photorespiration, die Reaktion mit Sauerstoff) auf Kosten der Carboxylase-Aktivität (der CO₂-Assimilation), wodurch sich die Abnahme der Photosyntheserate bei erhöhter Temperatur erklären liesse. Zudem wurde beobachtet, dass bei erhöhter Temperatur der Export der Photoassimilate – d.h. jener Produkte, die durch Umwandlung körperfremder in körpereigene Produkte, wie etwa Stärke, entstehen – aus den Blättern gehemmt ist. Dieses Phänomen könnte zu einer Hemmung der Photosynthese durch Rückstau führen. Eine erhöhte Photorespirationsrate und eine Hemmung der Photosynthese durch Rückstau genügen aber nicht, um die Reduktion der Photosyntheserate bei erhöhter Temperatur zu erklären. Eine Abnahme der Photosyntheserate findet nämlich sowohl unter photorespiratorischen wie auch unter nicht-photorespiratorischen Bedingungen statt und kann auch dann gemessen werden, wenn der Export der Photoassimilate nicht beeinträchtigt ist.

Rubisco-Aktivase:
das hitzeanfälligste Enzym?
In verschiedenen Studien wurde beobachtet, dass die lichtabhängige Aktivierung der Rubisco bei mildem Hitzestress abnimmt und dass diese Hemmung eng mit einer reversiblen Inaktivierung der Photosynthese gekoppelt ist. Zuerst nahm man an, dass die Rubisco selbst hitzelabil sein könnte. Spätere Laborexperimente haben aber bewiesen, dass das Enzym selbst bei 50°C noch voll funktionsfähig ist. (Auch die anderen Hauptenzyme der Photosynthese erwiesen sich alle als relativ hitzetolerant.) Die Rubisco ist ein Enzym, das langsam arbeitet und das zudem immer wieder in einen inaktiven Zustand zurückfällt. Sie hat also ineffiziente katalytische Eigenschaften; d.h. sie kann chemische Prozesse nicht (inaktive Form) oder nur langsam (aktive Form) herbeiführen. Damit das Enzym optimal arbeitet, muss es zuerst aktiviert werden. Durch höhere Temperaturen kann der Aktivierungsmechanismus der Rubisco gehemmt werden.
Die Magnesiumkonzentration, die CO₂-Konzentration und der Säurewert (pH-Wert) spielen in der Regulation der Rubisco-Aktivität eine wichtige Rolle. Die Rubisco-Aktivität wird aber auch durch Aktivatoren (Stoffe, welche die Wirksamkeit eines Enzyms erhöhen) und Inhibitoren (Hemmstoffe eines Enzyms) reguliert. Dabei spielt nun das Chloroplastenenzym Rubisco-Aktivase eine zentrale Rolle. Diese Rubisco-Aktivase wandelt die inaktive Form der Rubisco in die aktive Form um. Der Mechanismus der lichtabhängigen Aktivierung der Rubisco durch die Rubisco-Aktivase ist noch nicht vollständig geklärt. Verschiedene Studien deuten aber darauf hin, dass die Rubisco-Aktivase direkt mit der Rubisco interagiert und durch einen bislang unbekannten Mechanismus die Befreiung des Enzyms von gebundenen Inhibitoren fördert. Sobald die Rubisco von den Inhibitoren befreit ist, kann dieses Enzym durch die Bindung von CO₂ und Magnesium spontan aktiviert werden. Die Rubisco wird, wie bereits oben erwähnt, laufend inaktiviert und muss daher immer wieder aktiviert werden.

Experimente haben gezeigt, dass die Rubisco-Aktivase durch eine Erhöhung der Temperatur rasch beeinträchtigt wird. Offenbar nimmt bei erhöhter Temperatur der Aktivierungsgrad der Rubisco ab, weil erstens die Aktivität der Rubisco-Aktivase gehemmt ist und zweitens die Deaktivierungsrate der Rubisco erhöht ist. Die ungenügende Kapazität der Aktivase scheint somit eine der primären Ursachen für die Reduktion der Photosyntheseaktivität bei erhöhter Temperatur zu sein. Die Hitzeempfindlichkeit der Rubisco-Aktivase hängt von der Pflanzenart ab und könnte für die unterschiedliche Hitzetoleranz mitverantwortlich sein. So ist die Rubisco-Aktivase und als Folge davon auch die Photosyntheserate in hitzetoleranten Baumwollpflanzen im Vergleich zu hitzeempfindlicheren Weizenpflanzen durch eine Temperaturerhöhung weniger beeinträchtigt.

Einfluss von Hitze auf die Rubisco-Aktivase und auf den Aktivierungszustand der Rubisco: Die Rubisco, das CO2-fixierende Enzym in den Chloroplasten, erträgt hohe Temperaturen vergleichsweise gut. (In der Zeichnung links die Aktivierung dieses Enzyms im Normalzustand, bei etwa 25°C). Es kann aber bei Hitze nicht mehr von der inaktiven in die aktive Form übergeführt werden, da die Rubisco-Aktivase durch Hitze inaktiviert wird (dargestellt in der Zeichnung rechts, bei einer Temperatur von 35°C und mehr — die Pflanze gerät in eine Stresssituation).

Die meisten Pflanzenarten zeigen zwei Formen von Rubisco-Aktivase mit unterschiedlicher Hitzeempfindlichkeit. Eine bevorzugte Bildung der hitzetoleranteren Form könnte somit ein Mechanismus sein, mit dem Pflanzen die Thermotoleranz ihres Photosyntheseapparates erhöhen könnten.

Unter Hitzestress bilden verschiedene Pflanzenarten zusätzlich noch alternative Formen der Rubisco-Aktivase, die beim Stressende wieder abgebaut werden. Die temporäre Vermehrung hitzetoleranter Formen der Aktivase könnte somit ein anderer Mechanismus sein, durch den gewisse Pflanzen ihre Thermotoleranz verbessern könnten. Auch die reversible Inaktivierung der Rubisco könnte allerdings einen Schutzmechanismus darstellen, der es den Pflanzen erlaubt, gravierendere Schäden an der Rubisco und an anderen Komponenten des Photosyntheseapparates zu verhindern.

In einem Projekt im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts «Klima» werden biochemische und biophysikalische Methoden eingesetzt, um die Effekte erhöhter Temperaturen auf die Photosyntheseaktivität verschiedener Pflanzenarten genauer zu untersuchen. Messungen werden sowohl im Labor als auch im Freiland durchgeführt. Gaswechselmessungen erlauben es uns, die durch eine Erhöhung der Temperatur ausgelöste Abnahme der Photosyntheserate zu analysieren und zu quantifizieren.

Mit diesem Gerät wird die CO2-Assimilation und zudem – mit dem kabelartigen Teil links oben – die Fluoreszenz von Erbsen gemessen.

Messungen der Fluoreszenz (Eigenschaft bestimmter Stoffe, bei Bestrahlung selbst zu leuchten) von Chlorophyll a, die gleichzeitig an der selben Probe durchgeführt werden, liefern uns Informationen über Veränderungen in den Thylakoidmembranen, wo Lichtabsorption, Elektronentransport und Bereitstellung der energiereichen Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) lokalisiert sind. Ergänzende biochemische Methoden sollen beitragen zur Beantwortung der Frage, wie weit temperaturabhängige Veränderungen in der Aktivität des Enzyms Rubisco-Aktivase für die Reduktion der Photosyntheserate während und nach einem Hitzestress verantwortlich sind.

Dr. Pierre Haldimann und Prof. Dr. Urs Feller
Institut für Pflanzenwissenschaften, Uni Bern