Den Tomaten abgeguckt

Sie würzen unser Essen und wir gewinnen aus ihnen Medikamente - Substanzen, die Pflanzen produzieren, obwohl sie diese nicht unbedingt zum Leben benötigen. Die Rede ist von sekundären Pflanzeninhaltsstoffen. Da einige von ihnen der Abwehr von Schädlingen dienen, sind sie in den Fokus der Pflanzenzüchtung gerückt. Kürzlich schauten  Forscher den Tomaten den Produktionsweg der Abwehrsubstanz ab und entdeckten eine elegante Möglichkeit, das natürliche Pflanzenschutzmittel in Eigenregie herzustellen.

Die Tomate (Solanum lycopersicum) ist seit rund 10 Jahren eine Modellpflanze für Biochemiker und Pflanzengenetiker, die die Netzwerke spezialisierter Stoffwechselwege verstehen möchten. Ihre Studien zeigen, dass in den Nachtschattengewächsen der Gattung Solanum eine große Vielfalt an Stoffwechselwegen sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe existiert.

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Sowohl die Produkte als auch die Produktionswege des Sekundärstoffwechsels sind für den Menschen interessant: Noch heute haben die meisten Wirkstoffe in Medikamenten ihren Ursprung in pflanzlichen Stoffwechselprodukten. Und die Industrie kann sich beim Versuch, die Chemie „grüner“ zu gestalten, an den Stoffwechselwegen von Pflanzen orientieren: Wenn es gelänge zu verstehen, mit Hilfe welcher Enzyme die Pflanzen ihre Abwehrstoffe herstellen, könnte man sich auch Strategien überlegen, diese wirksamen Komponenten des Sekrets im industriellen Maßstab herzustellen. Beispielsweise in hochproduktiven Mikroorganismen. Auch ließen sich die Gene für deren Synthese in andere Pflanzen einkreuzen, um diese resistent gegen Schädlinge zu machen.

Wie eine kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, ist die Forschung diesem Ziel einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler fanden heraus, dass der Produktionsweg eines pflanzlichen Abwehrsekrets im Stoffwechsel-Netzwerk von Solanum lycopersicum erstaunlich einfach nachzumachen ist: Vier Enzyme reichten aus, um den besonderen Zucker im Labor herzustellen, mit dem Tomatenpflanzen sich auf natürliche Weise Fraßfeinde vom Leib halten.

Winzige Wirkstofffabrik

Die Blatthaare, sogenannte Trichome, die auf der gesamten Oberfläche vieler Nachtschattengewächse wachsen, enthalten eine komplexe Wirkstofffabrik. Sie produzieren diverse Acylzucker. Acylzucker sind gewöhnliche Saccharose-Moleküle, die mit verzweigtkettigen aliphatischen Säuren verbunden sind. Die entstehende Substanz dient als klebrige Falle, wie am Beispiel des wilden Tabaks gezeigt werden konnte. Gefräßige Larven des Tabakschwärmers (Manduca sexta) werden durch den Acylzucker mit einem auffälligen Körpergeruch markiert, der diese an räuberische Ameisen verrät. Die Substanz schützt somit indirekt vor Fraßfeinden. Kein Wunder, dass sie in den Fokus der Züchtung insektenresistenter kultivierter Tomatenpflanzen gerückt ist, die wie der Tabak zu den Nachtschattengewächsen gehört.

Im Modellorganismus Tomate untersuchten Forscher nun, wie die Pflanze das Acylzucker-Gemisch produziert. Sie charakterisierten mit Methoden der funktionellen Genomik die bislang noch unbekannten ersten beiden Enzyme in der Produktionskette, die in einer einzigen Zelle in der Spitze eines bestimmten mehrzelligen Trichom-Typs (Typ I/IV) abläuft. Die identifizierten Enzyme gehören zu den BAHD Acyltransferasen, einer Enzymgruppe, die für die Synthese von sekundären Pflanzenstoffen notwendig ist, die auf einer phenolischen Verbindung basieren. Die hier aktiven BAHD Acyltransferasen katalysieren mithilfe verschiedener Coenzyme den Umbau von Saccharose zu Acylsucrose (SI-ASAT1) und verbinden schließlich eine zweite Acyl-Gruppe mit dem Zucker (SI-ASAT2).

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Mit diesen und zwei weiteren, zuvor charakterisierten BAHD Acyltransferasen versuchten sie, aus Saccharose und den notwendigen Coenzymen, Acyl-coA Substraten, die gesamte Biosynthese der Acylsucrose im Labor herzustellen. Mit Erfolg: Die Enzyme in der Petrischale produzierten alle Komponenten des Acylzucker-Cocktails. Nun bleibt noch zu klären, inwieweit der Erfolg auf andere Tomatenarten übertragbar ist.

Grundlagenforschung für die Anwendung

Der Ansatz des Forscher-Teams hat zu neuen Erkenntnissen geführt, die Potenzial haben, direkt in der Züchtung Anwendung zu finden. Ein bis ins molekulare Detail verstandenes Abwehrsekret hat gute Chancen, in Zuchtprogramme anderer Tomatenvarietäten integriert und weiterentwickelt zu werden. Dadurch könnte Zeit gespart und der Pflanzenschutz von vielen unterschiedlichen Tomatensorten verbessert werden.