Faszinierende Erkenntnisse über die Evolution der Pflanzen: Die Rolle der Chloroplasten, bekannt für ihre Fähigkeit zur Fotosynthese, war ursprünglich nicht die Herstellung von Zucker. Forscher haben entdeckt, dass die ersten Chloroplasten, ähnlich wie Mitochondrien, primär dafür verantwortlich waren, chemische Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) für die Pflanzenzellen bereitzustellen. Erst mit der Weiterentwicklung traten die Chloroplasten in die Bühne der Zuckerproduktion ein.

In der Evolution des Lebens gab es mehrfach den eindrucksvollen Vorgang der Endosymbiose, bei dem ein eukaryotisches Organismus ein anderes verschlang und dessen Funktionen übernahm. Diese grundlegende Kooperation führte zur Entstehung der Mitochondrien und der Chloroplasten, welche die Energieversorgung und Fotosynthese in Zellen ermöglichen. Das kürzlich entdeckte Phänomen, dass auch Nitroplasten - organellen, die Stickstoff speichern - aus ähnlichen Endosymbiose-Prozessen hervorgingen, erweitert unser Verständnis der Zellbiologie zusätzlich.

Laut einer Studie unter der Leitung von Bidhan Chandra De von der University of Illinois at Urbana-Champaign wurde ein Fotosynthese betreibendes Cyanobakterium als der Vorläufer der heutigen Chloroplasten identifiziert. Geändert war jedoch die Frage, ob das Bakterium bereits beim ersten Eintreten in die pflanzliche Zelle für die Kohlenstofffixierung der Wirtszelle nutzbar war, oder ob es weiterhin für seine eigenen Bedürfnisse sorgte.

Die Forscher rekreierten den Prozess der Endosymbiose, indem sie künstliche Chloroplasten erschufen. Hierbei verschmolzen sie Hefezellen mit gentechnisch veränderten Cyanobakterien, um deren Funktionsweise zu untersuchen. Der Einsatz von unterschiedlichen ATP-Transportenzymen - von modernen Landpflanzen bis hin zu evolutionär älteren Algenarten - ergänzte die Experiment-Serie.

Die Ergebnisse waren verblüffend: Während die Transportenzyme aus Algen in der Lage waren, ATP aus den Chloroplasten ins Zellplasma zu exportieren und somit die Endosymbiose unterstützten, konnten die Transportenzyme der Chloroplasten moderner Pflanzen ATP nicht abgeben, sondern entzogen es dem Stoffwechsel ihrer Wirtszelle. Dies könnte darauf hinweisen, dass die Chloroplasten der Urzeit primär als Energieversorger fungierten.

Die Studie gibt auch einen Einblick in die langfristige evolutionäre Anpassung der Chloroplasten. Schließlich spezialisierten sich diese Organellen auf die Herstellung von Zucker und anderer organischer Moleküle, um ihre Rolle innerhalb der Pflanzenzelle zu perfektionieren. In der modernen Pflanzenwelt importieren Chloroplasten sogar Energie in Form von ATP aus den Mitochondrien, um ihre komplexen chemischen Synthesen zu ermöglichen.

Die Biochemiker postulieren, dass eine sauerstoffreiche Umgebung diesen Wandel der Chloroplasten gefördert haben könnte. Dies führte dazu, dass Mitochondrien sich auf die ATP-Synthese konzentrierten und Chloroplasten sich auf die Kohlenstoffassimilation spezialisierten. Diese Erkenntnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Communications, bringen frischen Wind in das Verständnis der Evolution von Pflanzen und ihren einzigartigen biologischen Prozessen.