Pflanzen entwickeln ihren eigenen Sonnenschutz, um sich vor gefährlicher UV-Strahlung zu schützen

David Gutierrez in info.kopp-verlag.de

Wissenschaftler beginnen langsam die Mechanismen zu verstehen, mit denen die Pflanzen – die aufgrund der Photosynthese, die sie mit Energie versorgt, sehr stark von der Sonneneinstrahlung abhängig sind – sich vor den schädigenden Folgen der ultravioletten Strahlen der Sonne schützen. Erst vor Kurzem wurde eine Studie im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht, in der Forscher der Purdue University in Lafayette im US-Bundesstaat Indiana die Funktionsweise des »natürlichen Sonnenschutzes« erläuterten, den die Pflanzen produzieren, um ihre Blätter zu schützen.

Seit einiger Zeit war bekannt, dass Pflanzen zwar ihre Energie von der Sonne bekommen, dass sie deshalb aber nicht gegen die schädigende Wirkung ultravioletter Strahlung immun sind. Pflanzen erweisen sich in gewisser Weise sogar als anfälliger, weil ein Großteil ihres Wachstums auf die Notwendigkeit zurückgeht, ihre Aufnahmefläche für Sonnenlicht zu optimieren. Erst vor Kurzem wurde in Studien auf die Rolle hingewiesen, die chemische Substanzen, die unter der Bezeichnung »Sinapinsäure-Ester« bekannt sind, beim Schutz der Pflanzen spielen.

Es stellte sich heraus, dass die Pflanze in ihrem Inneren diese Ester produziert und sie dann an die Blattoberflächen transportiert. Dort angekommen, verhindern diese »natürlichen Sonnenschutzmittel«, dass die ultraviolette Strahlung im Wellenbereich zwischen 315 und 280 Nanometern (UV-B) die Blätter durchdringt und die Pflanzenstrukturen oder die DNA der Pflanzen schädigt.

Chemische Substanzen können gefährliche Strahlung völlig blockieren

In einer neuen Untersuchung stellten die Wissenschaftler zuerst ein Sinapinsäure-Ester-Gas her und beschossen dieses dann mit UV-B-Strahlung. Das Gas erwies sich als äußerst wirksam, es absorbierte jede Wellenlänge des UV-B-Lichts.

Pflanzen können also einen »natürlichen Sonnenschutz« produzieren, der sie vor UV-B-Strahlung schützt, aber damit sind ihre Verteidigungsmöglichkeiten noch nicht ausgeschöpft. Denn wie wirksam der Sonnenschutz auch ist, tragen Pflanzen wie auch Tiere unvermeidlich Schäden durch Ultraviolettstrahlung davon.

Eine Untersuchung von Wissenschaftlern der Dartmouth University, des Salk-Instituts für biologische Studien und der Australian National University aus dem Jahr 2013, die in denProceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, wies nach, dass Pflanzen auf Schwankungen des Sonnenlichts reagieren, indem sie genetische Signalproteine, sogenannte Hitzeschock-Transkriptionsfaktoren, aktivieren. Dies erfolgt, um Hitzeschockproteine zu produzieren, die die Pflanzen von den gefährlichen Molekülen entgiften, welche sich bilden, wenn Pflanzen extremer Sonnenstrahlung ausgesetzt sind.

Genau abgestimmter Reparaturmechanismus

Eine weitere Studie von Wissenschaftlern der Washington State University (WSU), die ebenfalls in den Proceedings of the National Academy of Sciences erschien, untersuchte die Mechanismen, mit denen Pflanzen Schäden durch massive Sonneneinstrahlung reparieren. Nach Angaben des Mitautors Juniorprofessor Helmut Kirchhoff vom Institut für biologische Chemie löst UV-Strahlung unvermeidlich die Produktion sogenannter »freier Radikale« aus, die unter der Bezeichnung »reaktive Sauerstoffspezies« (ROS) bekannt sind. Diese freien Radikale entstehen auch als natürliches Stoffwechselnebenprodukt.

Wie auch bei Menschen und anderen Lebewesen können freie Radikale die Zellen und die DNA von Pflanzen schädigen, was zur Schädigung der Pflanzengesundheit oder sogar zum Absterben der Pflanze führen kann.

»Die Entstehung von ROS kann nicht verhindert, sondern nur verringert werden«, sagte Kirchhoff. »Dies führt bei Pflanzen unter ungünstigen Umweltbedingungen wie zu großer Hitze, zu viel Sonnenlicht oder unzureichender Nährstoffversorgung zu großen Problemen.«

Die Forscher untersuchten in den Pflanzen die sogenanntenChloroplasten, die für die Photosynthese verantwortlich sind. Sie entdeckten, dass freie Radikale dazu neigen, sehr spezifische »Nanomaschinen«, die sich in den Photosynthesemembranen der Chloroplasten befinden, zu zerstören. Bei diesen Nanomaschinen handelt es sich um sehr kleine Moleküle, die in der Zelle bestimmte Funktionen erfüllen.

Die Studie zeigte, dass zwar bestimmte Nanomaschinen durch freie Radikale beschädigt werden, dass aber andere Nanomaschinen innerhalb der gleichen Membranen für die Reparatur dieser Schäden verantwortlich sind. Diese Reparaturen vollziehen sich in einer Reihe kleiner einzelner Schritte, wobei jeder weitere Schritt von der Vollendung des vorangegangenen Schritts abhängt. In jedem Schritt sammelt die Reparatur-Nanomaschine ein bestimmtes Protein in einer bestimmten Region der Membran ein und bewegt sich dann zur nächsten Region, um dort ein weiteres Protein einzusammeln.

»Bisher verstehen wir nicht, wie gesichert wird, dass die Ereignisse in der gewünschten Reihenfolge ablaufen«, erklärte Kirchhoff.

»Unsere Ergebnisse legen nahe, dass wir zuerst die strukturellen Eigenschaften und Dynamiken der Photosynthesemembranen verstehen müssen, um ein klares Bild von der Reparatur der energieumwandelnden Nanomaschinen zu erhalten. Dies wurde bisher noch nicht erreicht.«