Enzym-Trio sorgt für Blattabwurfsignal

Damit Bäume und Sträucher im Herbst ihre Blätter abwerfen, bedarf es eines biochemischen Signals: Peptidhormone geben hierfür den Anstoß. Wissenschaftler der Universität Hohenheim deckten nun auf, wie diese gebildet werden und identifizierten drei beteiligte Enzyme.

Peptidhormone sind Hormone, die eine Eiweißstruktur aufweisen - chemisch betrachtet also Peptide sind. Man kennt sie vor allem vom Menschen: Bekanntestes Beispiel ist Insulin, das den Blutzuckerspiegel reguliert. Auch Leistungssportlern sind sie bekannt, da Peptidhormone seit 1989 auf der Dopingliste stehen. Dass Peptidhormone auch von Pflanzen gebildet werden und dort ebenfalls als Signal- und Botenstoffe spezifische Funktionen übernehmen, weiß man erst seit wenigen Jahren. „Sie sind etwa bei der Abwehr von Insekten von Bedeutung, und sie steuern Entwicklungsprozesse – wie zum Beispiel den Abwurf von Pflanzenorganen“, erklärt Prof. Dr. Andreas Schaller, Pflanzenphysiologe an der Universität Hohenheim.

Peptidhormone sorgen also dafür, dass im Herbst das bunte Laub zu Boden fällt. Sie sind ebenfalls für den Abwurf von Blütenblättern (Kelch-, Kron-, und Staubblätter) nach der Bestäubung verantwortlich. Damit ermöglichen sie der Pflanze eine weitere Verbreitung. Dies macht sie auch für die Landwirtschaft interessant, da Früchte und Samen zugänglich werden.

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Wie Peptidhormone gebildet werden

Doch auch wenn nach und nach die Funktionen der Moleküle aufgeklärt wurden, wusste man bisher nicht, wie Peptidhormone in Pflanzen gebildet werden. Eine Arbeitsgruppe der Universität Hohenheim hat dies nun entschlüsselt. Das Team um Prof. Schaller veröffentlichte ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift „Science“.

An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte das Team die Enzyme (Proteasen) identifizieren, die für die Bildung von Peptidhormonen benötigt werden. Am Beispiel des Hormons, das für den Blattabwurf bei Arabidopsis thaliana verantwortlich ist, IDA (INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION), wurde der Prozess genauer untersucht. Bekannt war, dass Peptidhormone aus größeren Vorläuferproteinen abgeleitet, regelrecht „herausgeschnitten“, werden. An dieser Proteinspaltung sind, wie herausgefunden werden konnte, subtilisin-ähnliche Proteasen - sogenannte Subtilasen - beteiligt.

Ein Pilz als Hilfsmittel

Um die Rolle der Subtilasen für den Prozess der Hormonbildung zu untersuchen, mussten die Forscher diese Enzyme gezielt abschalten. Dies gelang ihnen mithilfe eines Gens, das sie dem Pils Phytophthora infestans, dem Erreger der Kraut- und Knollenfäule bei Kartoffeln, entnahmen. Dieser kodiert für ein Protein, das als Inhibitor speziell für Subtilasen fungiert und diese „lahmlegt“. Die Testpflanzen im Labor, die mit dem Gen ausgestattet wurden, verloren daraufhin keine Blätter mehr. Dadurch war bewiesen, dass Enzyme dieser Gruppe für die Bildung der signalgebenden Peptidhormone benötigt werden. Nachfolgend wurden einzelne Subtilasen genauer untersucht. Das Team isolierte die Enzyme und teste im Labor, welche davon Peptide spalten können. Es zeigte sich, dass drei Subtilasen (SBT4.12, SBT4.13 und SBT5.2) für die Bildung von Peptidhormonen benötigt werden.

Prof. Schaller und sein Team vermuten, dass dieser grundlegende Prozess auch in anderen Pflanzen ähnlich abläuft. „Und er ist von immenser Bedeutung in der Pflanzenwelt – sowohl für die Natur als auch für die Landwirtschaft“, betont Schaller.