Aufs Korn genommen

Erhöhter Fruktangehalt als Züchtungsziel bei Weizen?

07.06.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Man findet Fruktane in vielen Algen-, Bakterien-, Pilz- und Pflanzenarten, beispielsweise bei Weizen. (Bildquelle: © PublicDomainPictures/pixabay, CCO)
Man findet Fruktane in vielen Algen-, Bakterien-, Pilz- und Pflanzenarten, beispielsweise bei Weizen. (Bildquelle: © PublicDomainPictures/pixabay, CCO)

Auch wenn der Weizen im Vergleich mit anderen Pflanzenarten nicht den höchsten Fruktangehalt aufweist, so ist er dennoch in unserem Speiseplan eine wichtige Quelle für dieses ernährungsphysiologisch wichtige Kohlenhydrat. Auch der Weizen selbst könnte von einem höheren Fruktangehalt profitieren, da er in Verbindung mit einer höheren Trocken- und Salztoleranz sowie Kälteresistenz steht.

Ein internationales Forscherteam hat ein vielversprechendes, aber bislang eher vernachlässigtes Züchtungsziel ausgemacht: den Fruktangehalt. Damit ließen sich gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen. In einem Reviewbeitrag für das Fachmagazin „CROP SCIENCE“ präsentieren sie nebst einer Vielzahl von Argumenten für dieses Züchtungsziel einen interessanten Überblick über den aktuellen Kenntnisstand.

Von A wie Alge bis Z wie Zwiebel

Bei Fruktanen handelt es sich um eine Klasse von Reservekohlenhydraten, die aus einem Saccharosemolekül und einem oder mehreren Fructosemolekülen bestehen. Je nach Bauart (linear angeordnet oder verzweigt) unterscheidet man zwischen fünf verschiedenen Fruktantypen: Inulin, Levan, Phlein, Graminan sowie Neo-Inulin und Neo-Levan. Man findet Fruktane in vielen Algen-, Bakterien-, Pilz- und Pflanzenarten. Neben Bananen, Artischocken, Brokkoli, Zwiebeln oder Roggen (Secale cereale) auch bei Weizen (Triticum aestivum).

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Bei Fruktanen handelt es sich um eine Klasse von Reservekohlenhydraten, die aus einem Saccharosemolekül und einem oder mehreren Fructosemolekülen bestehen.

Bei Fruktanen handelt es sich um eine Klasse von Reservekohlenhydraten, die aus einem Saccharosemolekül und einem oder mehreren Fructosemolekülen bestehen.

Bildquelle: © Ayacop/ wikimedia.org/ gemeinfrei

Die Vakuole als Zuhause

In den Pflanzenzellen von Weizen befinden sich die Fruktane hauptsächlich in den Vakuolen. Dort werden sie synthetisiert und wieder abgebaut. Dass das Reservekohlenhydrat in so vielfältigen Formen auftritt, liegt an der Bandbreite an Enzymen, die in die Synthese und den Abbau involviert sind. Der Hintergrund für die Bildung sogenannter Reservekohlenhydrate ist, dass in Zellen keine größeren Mengen niedermolekularer Verbindungen wie Glucose oder Fructose gespeichert werden können, ohne das osmotische Gleichgewicht zu stören. Durch das Zusammensetzen mehrerer niedermolekularer Verbindungen zu Makromolekülen umschiffen Zellen dieses Problem.

Das Werk vieler Enzyme

Bei der Synthese sind es vor allem Fructosyltransferasen, die die Reservemoleküle Schritt für Schritt zusammensetzen. Jeder der fünf Typen von Fructanen besitzt seine eigene „Truppe“ von Fructosyltransferasen. Beim Abbau sind es dann vor allem Exohydrolasen, die für das Zerlegen der Makromoleküle und damit die Freigabe der gespeicherten Fructose zuständig sind. Bemerkenswert ist, dass die polymeren Strukturen dabei nicht immer in ihre Ausgangsformen zerlegt, sondern je nach Enzym auch in andere Monosaccharide verwandelt werden.

Während die Synthese und der Abbau also mittlerweile gut verstanden sind, tappt man bei den Signal- und Regulationswegen noch im Dunkeln. Zwar weiß man, dass neben dem Saccharosegehalt in der Zelle auch äußere Faktoren wie die Lichtbedingungen eine Rolle spielen (wenn auch nur indirekt über die Photosynthese). Doch ist nur relativ wenig bekannt, wie die Expression der relevanten Gene (z. B. zur Produktion der Fructosyltransferasen oder Exhydrolasen) eigentlich in Gang gesetzt wird.

Doch was macht die Fruktane nun so besonders? Es ist die Tatsache, dass Fruktane nicht nur für Weizenpflanzen von physiologischer Bedeutung sind, sondern auch für Menschen interessant sind.

Was ist die Rolle der Fruktane bei Weizen?

Sprechen wir zunächst einmal über Weizen: Für das Verständnis ist es hilfreich sich klarzumachen, dass der Fruktanhaushalt in Verbindung mit dem Lebenszyklus steht. Es beginnt damit, dass sich die Vakuolen der vegetativen Organe während der vegetativen Phase mit meist linear angeordneten Graminanen füllen. Dieser Prozess läuft solange ab, bis die Anthese einsetzt und damit der Energiebedarf emporschnellt. Umgehend beginnen Exohydrolasen und Saccharose-Phosphat-Synthasen die Fruktane in Saccharose umzuwandeln. Dieses Disaccharid wird über das Phloem in Richtung der sich nun bildenden Weizenkörner transportiert. Dort werden sie teilweise wieder in Fruktane umgewandelt. Die größte Akkumulation findet in den ersten zwei Wochen nach Beginn der Anthese statt.

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Schema eines Weizenkornes.

Bildquelle: © Alfred/ wikimedia.org/ gemeinfrei

Während in den ersten fünf Tagen noch die äußere Fruchtwand der Weizenkorns (Pericarp) der vorwiegende Fruktanspeicher ist, verschiebt sich der Fokus in den Tagen danach ins Innere, u. a. ins Endosperm. Nach zwei Wochen beginnen Abbauenzyme damit, die Fruktane wieder zu zerlegen. Parallel dazu beginnt das Weizenkorn, seinen Stärkegehalt sukzessive zu erhöhen. Völlig auf null sinkt der Fruktangehalt aber nicht. Bei reifen Weizenkörnern liegt der Anteil zwischen 0,7 und 2,9 g pro 100 g Trockengewicht.

Mittel gegen Pflanzenstress

Es sieht ganz danach aus, als spielten Fruktane noch eine andere wichtige Rolle beim Weizen. Analysen, bei denen der Fruktangehalt verschiedener Weizensorten aus unterschiedlichen Anbauregionen und Umweltbedingungen quantifiziert wurde, zeigten, dass der Fruktangehalt unter Stress steigt. Auch die Zusammensetzung der Fruktane änderte sich. Vieles ist dabei noch unbekannt, aber zumindest wird ein hoher Fruktangehalt mit einer höheren Trocken- und Salztoleranz sowie Kälteresistenz in Zusammenhang gebracht.

Generell stellt sich die Frage, warum sich die Fruktane im Laufe der Evolution ihren Platz gesichert haben. Schließlich gibt es ja noch die allseits bekannte Stärke. Vermutet wird, dass die Fruktane sich aufgrund ihrer osmoregulatorischen Eigenschaften in besagten Stresssituationen bewährt haben, weil sie der Zellmembran im Notfall Stabilität verleihen und die Osmose regulieren können. Bei der Recherche stießen die Forscher außerdem auf paläontologische Studien über Pflanzenfossilen aus dem Miozän. Viele dieser Pflanzenarten aus Regionen mit wenig Wasser und Niederschlägen wiesen einen deutlich höheren Fruktangehalt auf.  

Warum sind Fruktane wichtig für den Menschen?

Kommen wir nun zum Menschen. Für ihn spielen Fruktane aus ernährungsphysiologischer Sicht eine Rolle. Sie dienen seiner Darmflora als ideale Nahrung. Aufgrund ihrer molekularen Struktur landen sie nahezu unbeschädigt im Darm, wo sich allerlei Bifido- und Milchsäurebakterien über sie her machen. Davon profitiert ihr Wirt: So erhöht sich bei heranwachsenden Menschen durch die Stimulation der Darmflora die Aufnahmekapazität von Calcium, was gut für das Knochenwachstum ist.

An Mäusen wurde beobachtet, dass sich durch fruktanreiche Kost die Aufnahme weiterer Mineralien wie Kupfer, Eisen, Magnesium und Zink verbessert. Zwar zählt Weizen nicht zu den fruktanreichsten Nahrungspflanzen, doch sorgt der hohe Anteil an Weizenprodukten in unserer Ernährung dafür, dass wir darüber den Großteil unserer Fruktanzufuhr abdecken (ca. 10 g pro Tag). Hier weisen die Forscher darauf hin, dass Fruktane in der Regel nicht direkt, sondern indirekt (über die stimulierte Darmflora) ihre gesundheitsförderliche Wirkung entfalten.

Fruktane als Appetitzügler

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Auch für den Menschen spielen Fruktane aus ernährungsphysiologischer Sicht eine Rolle.

Auch für den Menschen spielen Fruktane aus ernährungsphysiologischer Sicht eine Rolle.

Bildquelle: © udra11/ Fotolia.com

Es wurde zudem auch beobachtet, dass Fruktane an der Ausschüttung sogenannter Sättigungshormone beteiligt sind. Man fand dies im Zusammenhang mit Verzehrstudien mit Übergewichtigen heraus, denen es dank einer fruktanreichen Diät leichter fiel, abzunehmen. Zu guter Letzt fand man heraus, dass Fruktane das Darmkrebsrisiko senken können, da mutierte Krebsvorläuferzellen in deren Anwesenheit häufiger zum Selbstmord (Apoptose) angeregt werden.

Auf der anderen Seite gibt es natürlich auch Stimmen, die davor warnen, bedenkenlos auf eine fruktanreiche Ernährung umzusteigen. Schließlich kennt jeder die unangenehmen und oft peinlichen Nebeneffekte einer stimulierten Darmflora. Diskutiert wird aber auch ein Zusammenhang mit der Nicht-Zöliakie-Nicht-Weizenallergie-Weizensensitivität. Eine gastrointestinale Krankheit, die nach dem Verzehr von glutenhaltigen Nahrungsmitteln auftritt. Die Suche nach den Auslösern ist derzeit in vollem Gange und es könnte sein, dass Fruktane vielleicht eine Rolle spielen. Da glutenhaltige Nahrungsmittel häufig auch viele Fruktane enthalten, könnte durchaus etwas dran sein. Dann würden wir es hier mit einer Überstimulation der Darmflora durch Fruktane zu tun haben.

Wie geht’s nun weiter?

Unabhängig davon aber empfehlen die Autoren, Fruktanen in der Pflanzenforschung und –züchtung mehr Beachtung zu schenken. Konkret schweben ihnen neue Weizensorten vor, die einen höheren Fruktangehalt haben und über längerkettige Fruktantypen verfügen. Letzteres dient der höheren Stabilität im Verarbeitungsprozess. Denn Hefen, die bei der Verarbeitung von Weizenprodukten z. B. zu Backwaren oder bei der Bierproduktion hinzugegeben werden, bauen Fruktane ab. Aber auch höhere Temperaturen beim Backen und Kochen können die Moleküle zerstören. So zeigen Studien, dass bei der Herstellung von Brot 50-78 Prozent der Fruktane derzeit verloren gehen, beim Brauen von Weizenbier sogar über 90 Prozent. Längerkettige Fruktane würden sich durch eine höhere Stabilität gegenüber Hefen und Hitze auszeichnen.

Der erste Schritt ist immer der schwierigste

Für Landwirte lautet das Argument natürlich, dass Fruktane die Robustheit des Weizens erhöhen könnten, was in Zeiten des Klimawandels relevant ist. Gefragt ist zunächst aber einmal die Grundlagenforschung, um den Fruktanmetabolismus gründlich zu durchleuchten und besser zu verstehen.

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Ein internationales Forschungsteam hat ein bislang eher vernachlässigtes Züchtungsziel ausgemacht: den Fruktangehalt.

Ein internationales Forschungsteam hat ein bislang eher vernachlässigtes Züchtungsziel ausgemacht: den Fruktangehalt.

Bildquelle: © Mark Sorrells

Möchte man den Weg tatsächlich beschreiten, sehen es die Autoren zudem als zwingend an, auch bei den Methoden und dem Equipment nachzulegen, z. B. mit Hochdurchsatz-Phänotypisierungsmethoden, um den Forschern und Züchtern die Arbeit zu erleichtern. Prinzipiell aber stehen der Züchtung zur Erhöhung des Fruktangehaltes alle Wege offen: ob konventionelle Züchtung, genomische Selektion, smart breeding oder genome editing.

Genomweites Gen-Netzwerk von Weizen enthüllt

In diesem Zusammenhang machte übrigens kürzlich eine weitere Studie von sich reden, in der erstmals ein genomübergreifendes Netzwerk des Weizens vorgestellt wurde. Man kann sich das Ganze wie ein flexibles Organigramm vorstellen, mit dem z. B. Züchter das Genom u. a. nach bestimmten Gen-Gruppen, Funktionen oder genetischen Verbindungen clustern können. Solche Netzwerke werden häufig für einzelne, abgegrenzte Prozesse erstellt, wohingegen ein genomweites Netzwerk dann schon die Königsdisziplin ist.

Ein Beispiel verdeutlicht den Nutzen eines solchen Gen-Netzwerks: Interessiert man sich z. B. für die Gene, die beim Befall durch einen Schadpilz wie Blumeria graminis die Pflanzenabwehr von Weizen aktivieren, dann liefert das Gen-Netzwerk eine visuelle Darstellung aller relevanten Gene. Von der Aufmachung her ähnelt diese einem Organigramm oder Mindmap. Das Ganze lässt sich auch auf andere Fragen anwenden, z. B. welche Gene bei Trockenheit aktiv werden. Ein entscheidender Vorteil ist, dass man am Ende nicht nur eine Liste von Genen erhält, sondern u. a. auch sieht, ob und wie die gelisteten Gene sich gegenseitig beeinflussen, welche Gene quasi Schaltstellen bilden und welche eher am Ende von Befehlsketten stehen oder welche wiederum auch in andere Gen-Netzwerke eingebunden sind. Solches Wissen ist von enormer Bedeutung, wenn es darum geht, genetische Modifizierungen zu planen und vorzunehmen.

Vielleicht wirft ja der ein oder andere Forscher in Zusammenhang mit den Fruktanen einen Blick hinein. Als erste Anlaufstelle würden sich dann die Chromosomen 2B und 3B, 5A sowie 6D und 7A anbieten, auf denen nach derzeitigem Kenntnisstand die entscheidenden Genloci zuhause sind. Vor allem 6D und 7A wären besonders interessant, da diese zu 17 Prozent bzw. 70 Prozent über den Fruktangehalt entscheiden. Warten wir also ab, ob sich die Zahl der Publikationen zu Fruktanen im Weizen in den nächsten Jahren erhöhen wird.

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