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12.06.2012

Symbionten, Parasiten und ein neuer Hormon-Syntheseweg

Pflanzen senden Strigolactone in den Boden aus, um Wohlgesinnte zu einer Zusammenarbeit zu locken – leider werden diese Lockrufe auch von Nutznießern wahrgenommen. Das Forschungsteam von Privatdozent Dr. Salim Al-Babili von der Universität Freiburg hat jetzt wichtige Teilschritte im Syntheseweg der Phytohormone aufgedeckt – und einige Überraschungen zutage gefördert. Könnten mit dem neuen Wissen Substanzen nachgebaut werden, die selektiv Symbiosen fördern? Und könnten Landwirte in Zukunft Parasiten schon vor jedem Kontakt mit Mais, Kartoffel und Co. in den Selbstmord treiben?

Zu sehen ist eine Pflanze mit violetten Blüten.
Vertreter der Gattung Striga zapfen die Wurzeln von Wirten wie Tomate, Kartoffel oder Hirse an. Strigolactone vermitteln die Kontaktaufnahme zwischen Parasit und Wirt. (© Marco Schmidt/Senkenberg Research Institute)

Die Wurzeln von landwirtschaftlich wichtigen Pflanzen wie Mais, Hirse, Tomate oder Kartoffel geben winzige Mengen des Hormons Strigolacton ins Erdreich ab, um Mykorrhiza-Pilze anzulocken. Ist der Kontakt hergestellt, bilden sich zwischen den Symbionten Kontaktstellen aus, der Pilz hilft bei der Versorgung mit Mineralstoffen, und die Pflanze bezahlt mit Photosyntheseprodukten.

Aber Strigolactone bringen auch die im Boden schlummernden Samen von Nutznießern der Gattungen Striga oder Orobanche dazu auszukeimen, um anschließend Kontakt mit den Pflanzen aufzunehmen. Den Zuckersaft nuckeln die parasitären Grünlinge gerne – eine Gegenleistung bringen sie nicht. Sie saugen ihre Wirt aus und bescheren der Landwirtschaft weltweit Jahresverluste in Milliardenhöhe, vor allem in Regionen wie Afrika oder Asien. „In den letzten Jahren haben Biologen und Chemiker immer mehr Wissen über die Hormonklasse der Strigolactone gesammelt, aber die einzelnen Schritte ihrer Synthese waren bisher weitestgehend unbekannt“, sagt Privatdozent Dr. Salim Al-Babili vom Institut für Biologie II der Universität Freiburg.

Eine komplexe chemische Struktur

Verstehen Forscher, über welche Zwischenschritte ein Stoff im pflanzlichen Organismus gebildet wird, dann können sie unter Umständen in die biochemischen Prozesse eingreifen und diese zu ihren Zwecken manipulieren. Außerdem kann – wie im Falle der in den letzten Jahren von Al-Babili und seinem Team durchgeführten Forschungsarbeit – die Untersuchung von Biosynthesewegen zur Identifizierung neuer aktiver Strukturen führen. Die Agrarindustrie könnte dadurch Substanzen entwickeln, die spezifisch eine Zusammenarbeit zwischen Mykorrhiza-Pilzen und landwirtschaftlichen Pflanzen fördern oder die Samen von Pflanzenparasiten keimen lassen, noch bevor überhaupt Wirte in der Nähe sind. Die Samen von Striga und Co. haben in der Evolution die eigenen Speicherstoffe fast vollständig reduziert, sie sind nach der Keimung auf einen sofortigen Kontakt zu einem Wirt angewiesen. Ein vorzeitiges Austreiben der Keimwurzel wäre für sie ein Suizid.

Allgemein betrachtet sind die heute circa 20 bekannten Strigolactone allesamt Derivate von Carotinoiden, von Substanzen also, die in Pflanzen häufig vorkommen und Ausgangsstoffe für viele wichtige Moleküle sind. Die Struktur von Strigolactonen ist komplex, sie besteht aus einem Gerüst aus drei molekularen Ringen, an die über eine sogenannte Enol-Ether-Brücke ein vierter Ring angehängt ist. „Wenn ein Chemiker diese Struktur sieht, dann würde er erst mal denken, dass die drei zusammenhängenden Ringe von Carotinoiden abgeleitet sind und der vierte Ring von woanders stammt“, sagt Al-Babili. „Die Lehrmeinung war lange, dass es sehr vieler Reaktionsschritte und damit auch Enzyme bedarf, damit aus einem Carotinoid ein Strigolacton wird.“ Aus Versuchen mit Mutanten kannten Wissenschaftler bereits einige Gene, die für die Biosynthese der Hormone eine Rolle spielen, allerdings war ihre konkrete Funktion unklar.

Eine exotische Zwischenstufe und ein überraschendes Produkt

Al-Babili und sein Team beschlossen, einige der wichtigsten bekannten Enzyme genauer zu untersuchen. Der Signalweg umfasst zwei Carotinoid-spaltende Dioxygenasen (CCD7 und CCD8) und das Eisenbindeprotein D27, das als Carotin-Isomerase agiert. Sie fanden heraus, dass die räumliche Anordnung der Atome im Vorläufer Beta-Carotin der entscheidende Punkt bei der Strigolacton-Synthese ist und dass diese Anordnung von einem der drei genannten Enzyme festgelegt wird.

„Die erste Überraschung bei unseren Experimenten war es, dass das Enzym mit dem Kürzel CCD7 stereospezifisch ist“, sagt der Freiburger Biologe. Stereospezifität bezeichnet die Eigenschaft von Enzymen, nur mit Molekülen interagieren zu können, die eine bestimmte räumliche Anordnung besitzen. Die in Pflanzen vorkommenden Carotinoide weisen zumeist eine sogenannte all-trans-Konfiguration auf, was vereinfacht gesprochen dazu führt, dass sie wie eine gerade Kette aussehen. CCD7 konnte in den Versuchen der Freiburger Forscher jedoch nur Carotinoide umsetzen, die eine 9-cis-Konfiguration aufwiesen – eine Kette mit einem Knick am neunten C-Atom. Die von CCD7 produzierte Zwischenstufe – ein verkürztes Carotinoid, das als Apo-Carotinoid bezeichnet wird – hat auch eine 9-cis-Konfiguration. Al-Babili und Co. fanden in weiteren Versuchen heraus, dass es das Enzym D27 ist, das vor der Reaktion von CCD7 aus einem typischen all-trans-Carotinoid eine 9-cis-Version macht. Das weckte erste Zweifel an den bis dahin postulierten Syntheseschritten, die ein solches 9-cis-Zwischenprodukt nicht vorsahen.

Ein Minimalgerüst zeigt Wirkung

Diesem gaben Al-Babili und sein Team den Mischnamen Carlacton, denn es ist chemisch betrachtet kein Carotinoid mehr und noch kein vollständiges Strigolacton. Die Funktion von Strigolactonen kann es allerdings durchaus erfüllen. So bringt es Mykorrhiza-Pilze dazu, Kontaktstellen auszubilden, die für eine Symbiose mit Pflanzen notwendig sind. Außerdem induziert es die Keimung von Striga-Samen, selbst wenn kein Wirt in der Nähe ist. „Strukturell betrachtet besteht Carlacton aus einem Minimalgerüst, das man braucht, damit ein Strigolacton wirkt“, sagt Al-Babili. „Es ist sogar noch weiter reduziert, als theoretische Arbeiten es für ein minimales funktionelles Strigolactongerüst postuliert hatten.“ Die Vision der Freiburger Forscher ist es nun, ausgehend von ihren Arbeiten Substanzen modellieren zu lernen, die unterschiedliche Funktionen der Strigolactone ganz gezielt erfüllen und damit auch von der Agrarindustrie eingesetzt werden können. Bis dahin müssen die Freiburger allerdings noch weitere Grundlagen erforschen.
Ein Beitrag von:
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mn - 12.06.2012
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen zum Beitrag:
PD Dr. Salim Al-Babili
Institut für Biologie II/Zellbiologie
Universität Freiburg
Schänzlestr. 1
79104 Freiburg
Tel.: 0761/ 203-8454
Fax: 0761/ 203-2675
E-Mail: salim.albabili(at)biologie.uni-freiburg.de

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