Strigolacton-Biosynthese: Ein Durchbruch in der Pflanzenforschung
Freiburger Wissenschaftler haben einen wesentlichen Fortschritt im Verständnis der Biosynthese von Strigolactonen erzielt und eine neue strigolactonähnliche Substanz namens Carlacton entdeckt. Strigolactone sind pflanzliche Verbindungen mit komplexer Grundstruktur und vielfältigen Funktionen, die unter anderem als Phytohormone wirken.
Sie regulieren das Wachstum von Seitenzweigen bei zweikeimblättrigen Pflanzen und die Anzahl der Ähren bei Gräsern. Zudem werden sie von Pflanzenwurzeln in geringen Konzentrationen freigesetzt und dienen als Lockstoffe für symbiontische Pilze sowie für parasitisch lebende Pflanzen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Online-Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science veröffentlicht.
Funktion und Bedeutung von Strigolactonen
Die von Pflanzenwurzeln abgegebenen Strigolactone fördern das Wachstum und die Verzweigung der Hyphen von Pilzen, was den ersten Schritt zu einer Symbiose darstellt. Diese Symbiose ermöglicht einen wechselseitigen Stoffaustausch zwischen Pilzen und Pflanzen. Gleichzeitig lösen Strigolactone die Samenkeimung parasitärer Pflanzen wie Sommerwurz- und Hexenkrautarten aus. Nach der Keimung bilden diese Parasiten Strukturen aus, mit denen sie Nährstoffe aus den Wurzeln der Wirtspflanzen entziehen können.
Der Befall von Nutzpflanzen durch diese Wurzelparasiten hat erhebliche negative Auswirkungen auf die Landwirtschaft, insbesondere in Afrika, den Mittelmeerländern und anderen subtropischen Regionen. Eine mögliche Strategie zur Eindämmung dieser Parasiten ist die sogenannte „Suizidkeimung“. Dabei wird die Samenkeimung der Wurzelparasiten durch Strigolactone ohne Anwesenheit eines Wirtes ausgelöst, was zum Absterben der Keimlinge führt.
Entschlüsselung der Biosynthese
Es war bereits bekannt, dass Strigolactone aus Carotinoiden gebildet werden. Die Biosynthese dieser Verbindungen galt jedoch als komplex und war bisher nicht vollständig verstanden. Frühere Annahmen über bestimmte Reaktionsschritte erwiesen sich bei näherer Untersuchung durch das Team von PD Dr. Salim Al-Babili als falsch.
Die Freiburger Forschungsgruppe und ihre Partner klärten die Funktion von drei Enzymen des Stoffwechselwegs auf. Dabei zeigte sich, dass die räumliche Anordnung der Atome des Vorläufers β-Carotin für die Strigolacton-Biosynthese entscheidend ist. Diese Anordnung wird durch eines der Enzyme bestimmt. Die spezifische Konfiguration einer bestimmten Doppelbindung ermöglicht es einem weiteren Enzym, eine Kombination komplexer Reaktionen zu katalysieren.
Entdeckung von Carlacton und Anwendungspotenziale
Durch diesen Prozess entsteht eine Verbindung namens Carlacton, die strukturelle Ähnlichkeiten mit Strigolactonen aufweist und bereits als Strigolacton wirkt. Carlacton initiiert die Samenkeimung parasitärer Pflanzen und kann auch die Rolle von Strigolactonen bei der Regulierung der Ährenanzahl im Reis übernehmen.
Die gewonnenen Erkenntnisse könnten in der Pflanzenzucht Anwendung finden. Die im Vergleich zu Strigolactonen einfachere Struktur von Carlacton eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die Synthese von Verbindungen, die als Hormone oder zur Bekämpfung parasitärer Pflanzen eingesetzt werden könnten. Die Studie zeigt, dass die Biosynthese der komplexen Strigolactone dank Stereoselektivität und eines neuartigen Enzymmechanismus unerwartet einfach ist.
Publikation
Adrian Alder et al.: The Path from β-Carotene to Carlactone, a Strigolactone- Like Plant Hormone. Science, März 2012.