Herzlose Pflanzen pumpen mit Proteinen

Da Pflanzen keine Muskelpumpe wie das menschliche Herz besitzen, müssen sie ihr Gewebe anders mit Kohlenhydraten versorgen. Wissenschaftler aus Potsdam und Kalifornien fanden nun Proteine, die Saccharose zu den Leitungsbahnen transportieren. Die Entdeckung könnte helfen, Pflanzen vor Schädlingen zu schützen und Ernteerträge zu steigern.

Mittels Photosynthese produzieren Pflanzen in ihren Blättern Kohlenhydrate, die sie zu den Verbrauchsstätten in den übrigen Pflanzengeweben verteilen. Üblicherweise liegen die Kohlenhydrate in Form von Saccharose, dem gewöhnlichen Haushaltszucker, vor. Da Pflanzen keinen Herzmuskel als Pumpe besitzen, muss der Transport von Zucker anders vonstatten gehen. Ähnlich dem Blutkreislaufsystem beim Menschen dienen in Pflanzen Leitungsbahnen aus miteinander verbundenen Zellen als Transportsystem für Kohlenhydrate. Das sogenannte Phloem besteht unter anderem aus den eigentlichen Leitungszellen (auch Siebelemente genannt) und den umgebenden Geleit- und Phloem-Parenchymzellen. Parenchymzellen sind relativ unspezialisierte pflanzliche Zellen mit elastischen Primärwänden, die das Grundgewebe pflanzlicher Organe darstellen. Die Zellmembran der Siebzellen ist mit Pump-Proteinen ausgerüstet, die Saccharose aktiv in die Leitungsbahnen befördern. Bisher fehlte allerdings das Wissen über ein wichtiges Element der Transportkette: Unbekannt war, wie die Saccharose aus den Phloem-Parenchymzellen zu den Transportpumpen der Siebelemente gelangt.

Diese Transporter hat eine Forschergruppe der Carnegie Institution in Standford, USA, unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam, nun identifiziert. Es handelt sich dabei um Proteine der sog. SWEET Gruppe, die Saccharose durch die Plasmamembran transportieren können.

In ihrer Studie testeten die Wissenschaftler etwa 50 Membranproteine mit bisher unbekannter Funktion und Mitglieder der kürzlich entdeckten SWEET Glukose-Transporter-Familie auf ihre Fähigkeit, Saccharose zu transportieren. SWEETs kommen in den Zellmembranen der Phloem-Parenchymzellen vor. Dort funktionieren sie als molekulare Pumpen, die die Saccharose aus den Parenchymzellen hinausbefördern.

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Da Menschen keine Saccharosetransporter besitzen, benutzten die Wissenschaftler humane Zellkulturen, um in ihnen die fraglichen Proteine herzustellen und auf ihre Fähigkeit zum Saccharosetransport zu testen. Die Proteine wurden zusammen mit einem FRET (Förster-Resonanzenergietransfer) Saccharose Sensor exprimiert. Dies ermöglichte den Forschern, das regulatorische Netzwerk, das den Kurz- und Langstreckentransport der Zuckermoleküle koordiniert, optisch zu untersuchen.

In ihren Studien erforschten die Wissenschaftler den Zuckertransport in der Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, sowie in Reispflanzen. Um der Funktion der SWEET-Proteine auf die Spur zu kommen, schalteten sie die entsprechenden Gene bei einer Reihe von Pflanzen durch Mutationen künstlich aus. Dabei fanden sie heraus, dass Pflanzen ohne die SWEETs einen deutlich erhöhten Saccharose-Gehalt in den Blättern aufwiesen. „Weil der Zucker nicht abtransportiert werden kann, sammelt er sich im Blattgewebe, wo dieser durch Photosynthese produziert wird, an. Andere Pflanzenteile wie Wurzeln oder Samen werden dann nicht ausreichend versorgt“, erklärt Alisdair Fernie vom Potsdamer Max-Planck-Institut. Das machten sich die Forscher zunutze, um ihre Entdeckung zu überprüfen: Sie züchteten Arabidopsis-Pflanzen, in denen sie die betreffenden SWEET Proteine (atsweet11 und 12) ausgeschaltet hatten, in zuckerfreien Nährmedien. Wie erwartet, wuchsen diese mit verkümmerten Wurzeln. Gaben die Forscher Zucker ins Nährmedium, auf dem die Pflanzen wuchsen, konnten sie den Mangel durch den gestörten Transport ausgleichen und bildeten wieder normale Wurzeln aus.

Untersuchungen mit fluoreszierenden Proteinen zeigten den Forschern, dass die betreffenden Proteine atsweet11 und 12 natürlicherweise im vaskulären Gewebe sowie den großen und kleinen Venen von Arabidopsis vorkommen. Vorherige Studien hatten bewiesen, dass diese Gewebeteile an der Beladung des Phloems mit Zuckern beteiligt sind.

Für die Pflanzenzüchtung ist die Entdeckung der Zuckertransporter ein wichtiger Schritt, denn häufig bilden die vom Menschen genutzten Pflanzenteile wie Samenkörner oder unterirdische Knollen selbst keine Kohlenhydrate. Stattdessen werden sie von den Blättern versorgt. „Wir können diese molekularen Pumpen nun genau regulieren und damit den Transport von Zucker zu den Samen der Pflanzen erhöhen. Auf diese Weise lässt sich vielleicht eines Tages der Ernteertrag von Feldfrüchten steigern“, erklärt Wolf Frommer von der Carnegie Institution. Außerdem sind die SWEETS ein vielversprechender Ansatzpunkt, um Pflanzen vor Schädlingsbefall zu schützen. Denn Pflanzenschädlinge wie etwa das Bakterium Xanthomonas oryzae, das beim Reis die Blattbräune verursacht, missbrauchen diese Transporter, um an den Zucker der Pflanze heranzukommen und für die eigene Ernährung zu nutzen. Deshalb wollen die Wissenschaftler nun die Rolle dieser Transporter bei Schädlingsbefall genauer aufklären.

Die Forscher vermuten zudem, dass die entsprechenden Pump-Proteine bei Menschen und Tieren eine ähnliche Funktion haben. Dies wäre von großer Bedeutung für die Erforschung von Diabetes und Übergewicht, denn bislang ist das Protein noch unbekannt, das für den Zuckertransport vom Darm ins Blut sowie aus Leberzellen verantwortlich ist.