Molekulare Mechanismen der Allelopathie
Pflanzen setzen chemische Substanzen ein, um sich im Wettbewerb um Ressourcen zu behaupten und gegen konkurrierende Nachbarn zu verteidigen. Ein internationales Forscherteam, darunter Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen, hat nun einen molekularen Mechanismus entschlüsselt, wie diese Chemikalien gezielt in das Erbgut von Konkurrenzpflanzen eingreifen und deren Wachstum stoppen.
Im täglichen Kampf um Licht, Wasser und Nährstoffe müssen Pflanzen nicht nur überleben, sondern auch ihr Territorium verteidigen. Hierfür nutzen sie sogenannte Allelochemikalien, die das Wachstum und die Entwicklung anderer Pflanzen hemmen. Dieses Prinzip der Allelopathie ist ein bekannter Mechanismus zur Unterdrückung von Konkurrenten.
Oftmals geben Pflanzen diese Stoffe über Wurzelsäfte in den Boden ab. Dort zerfallen sie zu Abbauprodukten oder werden durch Mikroben chemisch verändert. Nachbarpflanzen nehmen diese veränderten Substanzen passiv mit dem Wasser auf, was ihr Wachstum hemmt. Obwohl das Phänomen der Allelopathie seit Jahrzehnten bekannt ist, fehlte bisher ein Verständnis der genauen Wirkweise in den Zielzellen der Pflanzen.
Obwohl das Phänomen schon seit Jahrzehnten bekannt ist, konnten wir jetzt zum ersten Mal einen molekularen Mechanismus für dieses chemische „Territorialverhalten“ von Pflanzen zeigen.
erklärt Claude Becker vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, einer der Leiter der Studie.
Molekularer Mechanismus von Allelochemikalien
Die Forscher konzentrierten sich auf zyklische Hydroxaminsäuren wie DIBOA und DIMBOA, die beispielsweise von bestimmten Gräsern über die Wurzeln abgegeben werden. Deren Abbauprodukte sind für ihre Toxizität gegenüber Nachbarpflanzen bekannt. Durch biochemische und strukturelle Analysen sowie physiologische Versuche zeigten Sascha Venturelli und seine Kollegen, dass diese Stoffe grundlegende Zellprozesse direkt beeinflussen, indem sie die Aktivität von Zielgenen verändern.
Die pflanzlichen Toxine hemmen die Aktivität von Histon-Deacetylasen. Diese Enzyme binden an Histone, die zusammen mit der DNA die Erbsubstanz bilden, und entfernen Acetyl-Seitenketten. Dies führt normalerweise zu einer Verdichtung der DNA und einer geringeren Genaktivität. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana führte die Hemmung der Histon-Deacetylasen durch die pflanzlichen Toxine indirekt zu einer erhöhten Histon-Acetylierung und damit zu einer verstärkten Genexpression, was letztlich das Wachstum beeinträchtigte.
Diese Studie liefert nicht nur einen ersten molekularen Mechanismus für die Wirkung allelopathischer Stoffe, sondern verdeutlicht auch, wie die Genexpression direkt durch umweltbedingte Chromatin-Veränderungen beeinflusst werden kann.
Bedeutung für Ökologie und Medizin
Allelochemikalien sind nicht nur für natürliche und landwirtschaftliche Pflanzengemeinschaften relevant, sondern spielen auch eine Rolle bei der Kolonisierung neuer Habitate durch invasive Pflanzenarten. Darüber hinaus haben Naturstoffe eine breitere Bedeutung, insbesondere in der Therapie menschlicher Erkrankungen.
Die von uns untersuchten Substanzen zeigen eine starke krebshemmende Wirkung, die derzeit weiter im Detail erforscht wird.
so Sascha Venturelli vom Universitätsklinikum Tübingen, Erstautor der Studie. Erste Wirkstoffe, die Histon-Deacetylasen hemmen, sind bereits als Krebsmedikamente zugelassen. Am Universitätsklinikum Tübingen werden diese Wirkstoffklassen im Rahmen klinischer Studien auf ihre Wirksamkeit bei Krebspatienten untersucht, wie die Mediziner Ulrich Lauer und Michael Bitzer bestätigen, die das Projekt initiiert und mitbetreut haben. Die Aufklärung der Wirkweise von Naturstoffen ist somit auch für die medizinische Forschung von großer Bedeutung.