Ein neues Licht auf den pflanzlichen Metabolismus

Gebiete: Pflanzenphysiologie, Metabolismus

Die Erforschung pflanzlicher Metabolismen hat ein neues goldenes Zeitalter erreicht. Die Kombination biochemischer Methoden und genetischer Technologien ermöglichen das Erreichen hoher Ziele, darunter die Balance der Ernährung der Weltpopulation für optimale Gesundheit, erneuerbare chemische Rohstoffe und die Entwicklung von Biokraftstoffen.

Pflanzliche Metabolite sind von allen anderen Lebensformen unerreicht in Anzahl und Komplexität. Aktuelle Schätzungen ergeben, daß eine einzige Pflanzenspezies 5000 bis 25 000 verschiedene Verbindungen produzieren kann und daß die etwa 100 000 bekannten chemischen Strukturen nur ein Bruchteil aller existierenden Verbindungen des Pflanzenreichs darstellen. Die bekannten chemischen Strukturen werden natürlich mit der Verbesserung der analytischen Methoden und untersuchten Spezies immer mehr werden.

Vergleichende Genomik zwischen bakteriellen und pflanzlichen Genomen macht sich zunutze, daß Gene für verwandte physiologische Funktionen oft auf bakteriellen Chromosomen, Operonen, Genfusionen die zu multifunktionalen Enzymen führen oder einfach in in naher Umgebung kolokalisiert sind. Solche Beobachtungen haben zu der Entdeckung fehlender Signalwege geführt und manchmal sogar von vollständigen Signalwegen wie im Beispiel der Isopentyl-Pyrophosphatsynthese über den Methylerythritol-Phosphatsignalweg oder der Vitaminsynthese.

Die Vitaminbiosynthese der Pflanzen zeigt die Breite evolutionärer Mosaike in den pflanzlichen metabolistischen Reaktionswegen. Während die Synthese von Pantothenat (Vitamin B5) und Biotin (Vitamin B7) in Pflanzen und Bakterien identisch ist, können Tocopherole (Vitamin E) nur von photosynthetischen Eukaryoten und einigen Cyanobakterien produziert werden. Vier von fünf pflanzlichen Genen für die Tocopherolbiosynthese haben deutliche Ähnlichkeiten mit der Sequenz cyanobakterieller Orthologe. Die evolutionären Wurzeln von Thiamin (Vitamin B1) sind sogar noch unterschiedlicher.

Aber die interessantesten Pflanzenmetabolite, die “Sekundärmetabolite”, besitzen keine bekannten Parallelen zu Mikroben. Sie werden oft in speziellen Geweben oder Zelltypen exzessiv hergestellt und sind typisch für eine Pflanzenspezies oder eine Gruppe taxonomisch verwandter Pflanzen. Als Beispiel dienen Alkaloide, wie Morphin und Codein aus Mohn oder das Latex der Kautschukbäume. Die Alkaloide und Latex sowie Terpene, Saponine und Resine repräsentieren ökonomisch wichtige Sekundärmetabolite.

Die pflanzliche Zellwand ist das komplexeste Polymer der Natur. Die Manipulation der Zellwand ist wegen der Alkoholgewinnung aus Agrarpflanzen wichtiger geworden. Zwei neue Klassen biosynthetischer Enzyme für die Zellwand würden kürzlich entdeckt: Mannansynthase aus der Guarbohne, die große Mengen Galaktomannen produziert und eine Beta-1,4-Glukansynthase aus wachsenden Kapuzinerkressesamen, die große Mengen an Xyloglukan herstellten. Die Sequenz beider Enzyme konnte für die Erläuterung einiger Arabidopsis-Gene genutzt werden, die den Zellulosesynthasen ähneln.

Glukosinolate, schwefelenthaltende Verteidigungssubstanzen der Pflanzen, entfalteten im Tiermodell eine schützende Wirkung vor Krebs. Für zwei R2R3-Myb Transkriptionsfaktoren wurden eine starke positive Korrelation mit etablierten Glukosinolat-Biosynthesegenen entdeckt. In Pflanzenzellkulturen konnten diese Transkriptionsfaktoren die Glukosinolatakkumulation posivit regulieren. Sie scheinen daher den Signalweg über die Transkription zu regulieren.

Die Zukunft der Forschung an Pflanzenmetaboliten sieht momentan für die kommenden Jahre sehr positiv aus. Aber der Erfolg der DNS- und Proteinsequenzierung bringt einige der grundlegenden Probleme zurück in den Fokus: die Notwendigkeit, kleine Moleküle erfolgreich zu identifizieren und zu quantifizieren, um eine schnelle Assoziation mit Genexpression und den Endprodukten zu ermöglichen. Biochemiker, Chemiker und Genomwissenschaftler werden zusammenarbeiten müssen, um neue Signalwege zu entdecken oder Pflanzen zu erzeugen, die das Potential haben einige der relevantesten Probleme der Welt zu lösen.

Folgende Antikörper finden Sie hierzu auf antikoerper-online.de:

Pantothenat (Vitamin B5)

Biotin (Vitamin B7)

α-Tocopherol (Vitamin E)

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