Eine Frage der Balance

Forscher sind auf eine bisher unbekannte Verbindung zwischen dem Vitamin B6 Komplex und dem Stickstoffmetabolismus gestoßen: Ein B6 Vitamer, eine spezielle Vitaminform, informiert Pflanzen über ihren Ammoniumstatus und ermöglicht es ihnen, bei Bedarf einzugreifen. Eine überraschende Erkenntnis, die dabei helfen könnte, den Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln zu reduzieren ohne das Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen.

Vitamin B6 gilt als wichtig für den menschlichen Energiestoffwechsel, das Immunsystem, für Gehirn- und Nervenfunktionen, weshalb Ernährungsexperten einhellig zu einer ausreichenden Zufuhr raten. Neben Fleisch, Fisch und Milch gelten pflanzliche Nahrungsmittel als ergiebige Quellen. Unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm und dem  Düsseldorfer Exzellenzcluster CEPLAS hat ein internationales Forscherteam unter Leitung der Universität Genf die Perspektive gewechselt und die Bedeutung von Vitamin B6 für Pflanzen studiert. Sie fanden heraus, dass auch sie in besonderem Maß darauf angewiesen sind. Laut Analysen ist der Vitaminkomplex neben dem Einfluss auf verschiedene Stoffwechselprozesse unersetzbar für einen ausgeglichenen Ammoniumhaushalt und somit von Bedeutung für das Wachstum und die Entwicklung.

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Vitamin Vs Vitamer

Wenn von Vitamin B6 die Rede ist, ist streng genommen eine Familie chemischer Verbindungen gemeint, die nach heutigem Wissensstand aus sechs Formen, den Vitameren, besteht. Daher auch der Name B6. Sie alle waren bereits Gegenstand der Forschung, wurden auf ihre Eigenschaft und Zusammensetzung gründlich erforscht. Dennoch stehen noch Antworten aus, z.B. warum Pflanzen überhaupt sechs Vitamere besitzen. Vermutet wurde, dass neben den spezifischen Funktionen auch die Balance (Homöostase) eine Rolle spielen könnte.

Um der Sache nachzugehen, entschieden sich die Forscher, jene austarierte Balance bei Arabidopsispflanzen mit einem gezielten Eingriff, nämlich durch die Entnahme eines Enzyms (PDX3), aus dem natürlichen Gleichgewicht zu bringen. Aufgabe von PDX3 ist die Umwandlung eines B6-Vitamers, Pyrodoxamin-5-Phosphat (PMP), zu einem anderen B6-Vitamer, Pyridoxal-5-Phosphat (PLP). Eine Art Recyclingprozess (Salvage Pathway), der charakteristisch für den Vitamin B6 Komplex ist. Hintergedanke war, dass, wenn die Homöostase eine Rolle spielen sollte, der Verlust des Enzyms nicht folgenlos bleiben dürfte.

Welche Folgen hat eine Störung der Balance?

Tatsächlich: Ohne die Fähigkeit zur Umwandlung des PMP-Vitamers, begannen betroffene Pflanzen, in puncto Wachstum und Entwicklung zurückzufallen. Zeitgleich gerieten sie unter Stress, als stünden sie unter akutem Schädlingsbefall. Dies zeigten Analysen der genetischen Aktivität sowie ein sprunghafter Anstieg von Salicylsäure. „Da Pflanzen, denen es an PDX3 mangelt, PMP nicht umwandeln können, sammelt es sich in der Zelle. Obwohl wir vermuteten, dass der hohe Gehalt an PMP die Ursache für die beobachteten Anomalien war, wussten wir zunächst nicht, welcher Mechanismus dem zugrunde liegt“, erzählt Hauptautorin Maite Colinas.

Unterschiede zwischen Erdboden und Nährboden

Den entscheidenden Hinweis zur Lösung des Rätsels fanden die Forscher nicht in den Zellen, sondern am Standort. Denn die Anomalien tauchten nur dann auf, wenn die Versuchspflanzen in Erde gepflanzt wurden, nicht aber auf Nährböden. Nachforschungen ergaben, dass die gestressten und verkümmerten Pflanzen in Wahrheit unter Ammoniummangel litten, weil sie aufgehört hatten, Stickstoff (Nitrat) zu Ammonium zu verstoffwechseln.  Ein Verhalten, das Pflanzen eigentlich nur zeigen, wenn ihr Bedarf gedeckt ist, wie Colinas weiß: „Erst wenn eine  Pflanze genug Ammonium erhalten hat, wird eine weitere Umwandlung von Nitrat verhindert, um die Verschwendung von Energie zu verhindern und eine potenziell toxische Wirkung zu begrenzen.“

Den Ernst der Lage verkannt

Wie es schien, waren die Pflanzen nicht mehr in der Lage, den Ammoniumstatus zu erfassen. Problematisch, wie Colinas Kollegin Teresa Fitzpatrick weiß: „In den meisten natürlichen Böden ist Nitrat die Stickstoffhauptquelle für Pflanzen. Da dort in der Regel nur wenig Ammonium vorkommt, müssen Pflanzen zunächst Stickstoff aufnehmen und anschließend zu Ammonium umwandeln, damit es für die Herstellung von Proteinen genutzt werden kann.“

Da die Nährböden alle wesentlichen Nährstoffe inklusive Ammonium enthielten, fiel nicht auf, dass auch die dort wachsenden Pflanzen ihren Ammoniumhaushalt nicht mehr im Griff hatten. Dies änderte sich schlagartig, nachdem die Forscher Nährböden ohne die Extraportion Ammonium ausprobierten. Fortan zeigten die Pflanzen auch dort Anomalien im Wachstum und in der Entwicklung.

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Folgen einer falschen Balance

Untersuchungen und Vergleiche mit unveränderten Wildtyp-Pflanzen ergaben, dass die unnatürlich hohen Mengen an PMP-Vitameren schuld an der Fehleinschätzung waren. Sie gaukelten den Pflanzen einen ausgeglichen Ammoniumhaushalt vor, weshalb sie sich nicht gezwungen sahen, das Defizit auszugleichen. Colinas bringt es auf den Punkt: „Der Gehalt von PMP informiert Pflanzen über ihren Ammoniumstatus.“ Genauer: das Verhältnis zwischen PMP- und PLP Vitameren. Solange die PMP Vitamere in Überzahl sind, ist klar, dass genügend Ammonium vorhanden ist. Ändert sich hieran etwas, wird das Übergewicht durch die Enzymaktivität von PDX3 in Richtung PLP Vitamere verlagert. Unklar ist noch, ob die Vitamere direkt oder indirekt in den Stickstoffmetabolismus eingreifen.

Dass zwischen dem Vitamin B6 Komplex und einem der wichtigsten Stoffwechselprozesse, dem Stickstoffmetabolismus, eine so enge Verbindung existiert, war bis zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der Studie nur eine vage Vermutung. Mit ihrer Studie haben die Forscher eine wichtige Erkenntnis geliefert, die dabei helfen könnte, die Aufwandmengen von stickstoffhaltigen Düngern zu reduzieren. Idee ist, den Vitamin B6 Komplex als „Informant“ für den Bedarf an Nitrat und Ammonium zu nutzen. Denn trotz eines tendenziellen Rückgangs der Stickstoffüberschüsse seit den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts sind diese seit 2009 wieder gestiegen. Eine genauere Ermittlung des tatsächlichen Bedarfs jener Stickstoffformen könnte dabei helfen, entgegenzusteuern und die Umwelt zu entlasten.