UV Strahlen des Sonnenlichts können Pflanzen schädigen, was u.a. zu einer Zerstörung von Blattzellen und Schäden an Blüten führen kann. © Takayuki Tohge, MPI-MP
Zwar brauchen Pflanzen das Sonnenlicht, um Photosynthese betreiben zu können. Doch ähnlich, wie uns Menschen, schadet auch ihnen eine zu intensive Sonnenstrahlung. Deshalb haben sie Mechanismen entwickelt, um sich vor der schädlichen UV-Strahlung zu schützen. Dazu bilden sie sogenannte sekundäre Pflanzenstoffe. Forscher haben nun eine bisher unbekannte Stoffgruppe entdeckt, die Pflanzen vor Schädigungen durch UV-Strahlung schützen kann.
Pflanzen bilden mehrere hunderttausend Substanzen, die unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Neben den primären Stoffen, wie Zuckern und Aminosäuren, gibt es auch die große Gruppe der sogenannten sekundären Pflanzenstoffe. Diese übernehmen verschiedenste Aufgaben, wie die Abwehr von Fraßfeinden, die Regulation von Wachstumsprozessen oder sie fungieren als Farbstoffe.
Die sekundären Pflanzenstoffe sind zwar keine essentiellen Nährstoffe für den Menschen, aber häufig haben sie auch einen Einfluss auf den menschlichen Stoffwechsel. Besonders Flavonoide und Carotinoide haben eine gesundheitsfördernde Wirkung. Sie dienen als natürliche Antioxidantien und wirken etwa entzündungshemmend.
Unter anderem bilden Pflanzen auch sekundäre Pflanzenstoffe, die sie vor schädlichem UV-Licht schützen. Denn obwohl die Pflanzen für die Photosynthese auf das Sonnenlicht angewiesen sind, ist Strahlung im UV-Bereich auch für sie schädlich. UV-B-Strahlen schädigen ihr Erbgut und ihre Proteine, so dass es zu Mutationen kommen kann. Besonders empfindlich für UV-B Strahlung sind die Blüten. Das kann Störungen bei der Fortpflanzung und somit Ertragsminderungen bei Nutzpflanzen zur Folge haben. Unter diesem ständigen Druck haben Pflanzen im Laufe der Evolution Stoffe entwickelt, die sie schützenden.
Ein Forscherteam um Alisdair Fernie und Takayuki Tohge vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie hat bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einem beliebten pflanzlichen Modellorganismus, nach solchen Stoffen gesucht. Aufgrund ihrer weiten geographischen Verbreitung hat die Ackerschmalwand verschiedenste Ökotypen ausgebildet, die an ihre jeweiligen Lebensbedingungen angepasst sind. In den Blüten von 64 dieser Arabidopsis-Ökotytpen suchten die Forscher nach unterschiedlichen sekundären Pflanzenstoffen.
Zunächst analysierten sie 68 verschiedene Substanzen. 18 von ihnen gehören zu einer neuen Substanzklasse mit bisher unbekannter Struktur. In Zusammenarbeit mit ihren japanischen Kollegen um Kazuki Saito und Hiromitsu Takayama gelang es dem Forscherteam die chemische Zusammensetzung dieser Substanzen aufzuklären. Sie gehören zur Substanzgruppe der Flavonoide, genauer gesagt zu einer Flavonoid-Untergruppe, den Flavonolen. Da diese Stoffe bisher unbekannt waren hatten die Forscher die ehrenvolle Aufgabe der Stoffklasse einen Namen zu geben. Sie tauften sie „Saiginole“.
„Wir haben das alte japanische Wort saigiru genutzt, es steht für Blockierung oder Unterbrechung. Daran haben wir die typische Endung „nol“ für die Stoffgruppe der Flavonole angefügt“, erklärt Takayuki Tohge.
Neben der Struktur klärten die Forscher auch zum Teil die Biosynthese dieser Stoffe auf. Darüber hinaus konnten sie das Gen FPT2 identifizieren, das für die Produktion aller 18 Saiginole verantwortlich ist. Wie die Forscher zeigen konnten, absorbieren die Saiginole besonders gut UV-B-Strahlung und schützen die Pflanze so vor dieser schädlichen Strahlung. Doch von den 64 untersuchten Arabidopsis-Ökotypen bilden nur 31 diese Inhaltsstoffe. Laut den Forschern hängt das mit ihrem Verbreitungsgebiet zusammen. Denn alle Ökotypen, die in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung beheimatet sind, produzieren Saiginole. Die 33 übrigen Ökotypen, die diese Stoffe nicht bilden, sind vermutlich aufgrund ihres Heimatstandorts nicht auf deren Schutz vor schädlicher Strahlung angewiesen.
Bei einem Vergleich mit anderen Pflanzenarten fanden die Forscher keine weiteren FTP2 Gene. Doch andere Pflanzen, vor allem die nahe verwandten Kreuzblütler, verfügen über ähnliche Gene, die die gleiche Funktion übernehmen könnten. Durch weitere Analysen dieser Genregion wollne die Forscher die evolutionäre Entwicklung dieser Gene bei Arabidopsis und den Kreuzblütlern aufklären.
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, 22 August 2016
Originalpublikation:
Takayuki Tohge, Regina Wendenburg, Hirofumi Ishihara, Ryo Nakabayashi, Mutsumi Watanabe, Ronan Sulpice, Rainer Hoefgen, Hiromitsu Takayama, Kazuki Saito, Mark Stitt, Alisdair R. Fernie Characterization of a recently evolved flavonolphenylacyltransferase gene provides signatures of natural light selection in Brassicaceae Nature Communications, 22.08.2016, doi: 10.1038/NCOMMS12399