Mehr Hirse aus der Hirse

Sorghumhirse ist in Afrika und Asien ein wichtiges Grundnahrungsmittel und die größte Quelle für lebenswichtige Kohlenhydrate. Forscher entdeckten jetzt eine natürliche Variante des stärkespaltenden Enzyms Pullulanase, die den Energiegewinn aus Stärke für den Menschen deutlich erhöht.

Verbesserte Erträge im Getreideanbau sind eins der wichtigsten Ziele der Pflanzenforschung. Im Zuge des Klimawandels wird besonders an einer besseren Anpassung von Getreidesorten an extreme klimatische Bedingungen gearbeitet, um die Erträge trotz geringerer Niederschläge und steigender Temperaturen zu erhalten und damit die Versorgung der Bevölkerung mit Grundnahrungsmitteln sicherzustellen.

Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des Departments für Nutzpflanzenwissenschaften der Universität Göttingen ging jetzt einen anderen Weg – es untersuchte Möglichkeiten, den Energiegewinn aus dem Getreide Sorghum bicolor (Sorghumhirse) zu erhöhen, so dass das Getreide bei gleicher Menge dem menschlichen Organismus mehr Energie zur Verfügung stellt. So könnte die Versorgung der Bevölkerung bei gleichbleibenden Erträgen verbessert werden. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature communications“ vorgestellt.

Sorghumhirse als Hauptenergielieferant

Die Sorghumhirse oder Mohrenhirse ist das wichtigste Getreide in großen Teilen Afrikas. Es deckt einen hohen Teil des Grundbedarfs, denn das sehr gut an Hitze und Trockenheit angepasste Süßgras ist eine C4-Pflanze und außerdem recht anspruchslos in Bezug auf seinen Standort. Sorghumhirse kann daher noch in Gebieten angebaut werden, wo andere Getreide nur noch geringe Erträge bringen oder gar nicht mehr kultivierbar sind.

Das Problem: In Getreiden ist die Energie in Form von Stärke gespeichert, einem Kohlenhydrat aus vielen Glucosemolekülen (Polysaccharide), das im Zuge der Verdauung in seine Einzelteile zerlegt wird. Stärke liegt in verschiedenen „Bauformen“ vor: Zu etwa 75 Prozent als Amylopektin (verzweigte Stärkemoleküle) und zu 25 Prozent als Amylose (lange, unverzweigte Ketten). Die Zusammensetzung kann allerdings variieren. Je nach der vorliegenden Stärkeform bzw. dem Verhältnis von Amylose zu Amylopektin ist Stärke für den Menschen unterschiedlich gut verwertbar. Bei Sorghumhirse ist der Energiegewinn gering im Vergleich zu anderen Getreiden.

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Bessere Energieausbeute
Um die Energieausbeute zu erhöhen, untersuchten die Forscher die entsprechenden Gensequenzen von Enzymen, die im Stärkemetabolismus mitwirken, nach natürlichen Varianten (Allelen). Das Enzym Pullulanase kommt in Pflanzen und Bakterien sehr häufig vor. Es spaltet von den Verzweigungen des Amylopektins Maltotriosen (kleine Zuckermoleküle, bestehend aus drei Glucoseinheiten) ab.

Frühere Untersuchungen zeigten, dass Veränderungen im Stärkestoffwechsel sich durchaus negativ auf Wachstum und Ertrag auswirken können (Pleiotropie). Daher wurde zunächst über Knock-out-Pflanzen bei Mais und Reis getestet, wie sich ein Ausfall der Pullulanase-Aktivität auswirkt. Die Ergebnisse zeigten keine Wachstums- und Ertragseinbußen, vermutlich weil sich die Aktivität der Pullulanase mit anderen stärkespaltenden Enyzmen überdeckt. Daraus schlossen die Wissenschaftler, dass eine veränderte Pullulanase ebenfalls keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Entwicklung der Pflanze  haben würde. Diese Ergebnisse wurden in Feldversuchen im Rahmen eines Züchtungsprogramms für Sorghumhirse in Queensland, Australien, bestätigt.

Pullulanase-Allel erhöht die Verdaulichkeit

Bei der Suche nach Allelen der Pullulanase fanden die Forscher schließlich die Variante „sbPUL-RA“ („sb“ steht für Sorghum bicolor, „PUL“ für Pullulanase und „RA“ für den Allel-Typ), die eine um 41 Prozent höhere Verdaulichkeit von Stärke bewirkte, aber seltener vorkam, als die häufiger zu findende Variante sbPUl-GD. Diese Variante wirkte sich deutlich negativer auf die Verdaulichkeit der Stärke aus und fiel auch durch eine geringere enzymatische Aktivität auf.

Die Forscher fanden zudem heraus, das die enzymatische Aktivität der Pullulanase im N-Terminus des Enzyms codiert ist und sbPUL-RA hier zwei Punktmutationen aufweist. sbPUL-RA stellte somit für die Wissenschaftler das gesuchte Allel dar, das bei geringem Einfluss auf Ertrag und Wachstum eine höhere Energieverfügbarkeit der Stärke für den Menschen sicherstellt.

Gewünschtes Allel bisher selten

Abschließend wurden Untersuchungen im Feld an verschiedenen Sorghumhirse-Sorten durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Hirsen mit dem gewünschten Allel etwa fünfmal seltener vorkamen als Hirsen mit dem ungünstigeren Allel. Eine Selektion auf sbPUL-RA  könnte somit den Energiegewinn und damit der Wert des Grundnahrungsmittels Hirse deutlich verbessern, ohne dass die Anbaubedingungen verändert werden müssten. Diese Erkenntnisse sollen nun durch weitere Feldversuche bestätigt und der tatsächliche Energiegewinn quantifiziert werden.