Pflanzen erkennen Temperaturänderungen durch ein Protein mit temperaturabhängigem Schalter
Pflanzen passen ihr Wachstum und ihre Entwicklung kontinuierlich an Umweltveränderungen an, wobei Temperatur als ein entscheidendes Signal fungiert. Die molekularen Mechanismen, mit denen Pflanzen Temperatur wahrnehmen, sind jedoch bislang nur unzureichend erforscht. Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Prof. Dr. Philip Wigge vom Leibniz-Institut für Gartenbauwissenschaften (IGZ) analysierte gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie und dem Karolinska-Institut in Schweden, wie das Protein COP1 auf Temperaturänderungen reagiert. Die Ergebnisse, veröffentlicht in „Cell“, liefern neue Einblicke in die Anpassungsprozesse von Pflanzen an klimatische Bedingungen.
Funktion von COP1 als temperaturabhängiger Regulator
COP1 (CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENESIS 1) ist ein zentraler Signalregulator in Pflanzen, der Licht- und Temperatursignale integriert und dadurch Wachstum und Entwicklung steuert. Das Protein bindet an Zielproteine und initiiert deren Abbau. Mithilfe molekularer und biophysikalischer Methoden konnte das Forschungsteam an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigen, dass COP1 seine Aktivität durch eine temperaturabhängige Konformationsänderung selbst reguliert.
Bei niedrigen Temperaturen liegt COP1 überwiegend in einer geschlossenen, weniger aktiven Form vor. Ein kurzer Abschnitt am Proteinende, bestehend aus den Aminosäuren Valin und Prolin (VP-Motiv), bindet an die WD40-Domäne von COP1, welche normalerweise Zielproteine erkennt. Diese interne Bindung wirkt als Sperre, die den Zugang anderer Proteine wie des Wachstumsregulators HY5 verhindert.
Mit steigender Temperatur löst sich diese interne Wechselwirkung auf, wodurch COP1 eine offenere Konformation einnimmt. Diese ermöglicht die Bindung an Zielproteine, die anschließend zum Abbau markiert werden. Dadurch nimmt die Menge an Hemmproteinen wie HY5 ab, was das Pflanzenwachstum fördert. Die temperaturabhängige Strukturänderung von COP1 moduliert somit die Signalweiterleitung in der Pflanze.
Variationen des COP1-Mechanismus und Anpassungen an unterschiedliche Klimazonen
Durch gezielte Veränderungen am VP-Motiv und dessen Bindungsstärke zur WD40-Domäne konnten die Forschenden steuern, bei welchen Temperaturen COP1 aktiv wird und wie empfindlich die Pflanzen auf Temperaturänderungen reagieren. Zudem zeigte sich, dass natürliche Variationen in der Aminosäuresequenz von COP1 mit unterschiedlichen Temperaturreaktionen korrelieren.
Ein Vergleich der COP1-Sequenzen verschiedener Pflanzenarten ergab, dass COP1 bei Pflanzen aus kühleren Regionen flexibler ist und stärker auf Temperaturänderungen reagiert als bei Arten aus wärmeren Klimazonen. Durch Modifikation der Flexibilität von COP1 konnte die Temperaturantwort der Pflanzen beeinflusst werden. Diese Erkenntnisse eröffnen Perspektiven, Kulturpflanzen gezielt an wärmere Umweltbedingungen anzupassen.
Expertenmeinungen und Bedeutung der Forschung
- Prof. Dr. Philip A. Wigge (IGZ): „Temperatur ist Ausdruck molekularer Bewegungen. Das Verständnis, wie Proteine Temperaturinformationen wahrnehmen und weiterleiten, ist grundlegend, um die Auswirkungen des Klimawandels auf Pflanzen und Ernteerträge besser zu erfassen.“
- Prof. Dr. Laura Orellana (Karolinska-Institut): „Unsere Molekulardynamik-Simulationen zeigen, wie sich ein flexibler Abschnitt von COP1 bei steigender Temperatur bewegt und dadurch die Bindung an andere Proteine ermöglicht. Diese physikalischen Prinzipien sind sowohl in Pflanzen als auch in menschlichen Zellen relevant.“
- Dr. Arun Sampathkumar (MPI-MP): „Mit modernster Mikroskopie konnten wir die temperaturabhängige Formänderung von COP1 direkt beobachten – ein molekularer Schalter, der die pflanzliche Temperaturwahrnehmung steuert.“
Die Studie liefert grundlegende Erkenntnisse zur Verarbeitung von Temperaturinformationen in Pflanzen und bietet eine Grundlage, um Temperaturreaktionen bei Kulturpflanzen gezielt zu modifizieren. Die praktische Umsetzung dieser Ansätze bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Publikation und weiterführende Informationen
Originalpublikation:
Zeng, W. et al. (2026): COP1 is a temperature responsive switch in Arabidopsis. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.10.036
Weitere Forschungsgruppen:
- Temperatursensorik in Pflanzen (IGZ)
- Pflanzenzellbiologie und Morphodynamik (MPI-MP)
- Protein Dynamics and Mutation (Karolinska Institutet)
Förderung
Die Forschungsarbeiten wurden unterstützt durch den Europäischen Forschungsrat, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), die Leibniz-Gemeinschaft, den Schwedischen Forschungsrat sowie das Karolinska-Institut. Rechenressourcen wurden durch die Nationale Akademische Infrastruktur für Supercomputing in Schweden bereitgestellt.
Kontakt
Prof. Dr. Philip A. Wigge
Leiter der IGZ-Forschungsgruppe, Professor für Pflanzenanpassung an der Universität Potsdam
E-Mail: wigge@igzev.de
Telefon: +49 (0) 33 701 78 411
Pressekontakt:
Julia Vogt
E-Mail: presse@igzev.de
Telefon: +49 (0) 33 701 78 163
Institutionen
Leibniz-Institut für Gartenbauwissenschaften (IGZ) e.V.
Theodor-Echtermeyer-Weg 1
14979 Großbeeren, Deutschland
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP)
Forschung zu molekularen Prozessen in Pflanzen mit Fokus auf Evolution, Entwicklung und Umweltinteraktion.
