Multifunktionale Abwehrstoffe in Getreidepflanzen

Benzoxazinoide sind wahlweise Giftstoff oder Abwehrregulator

11.12.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wird Weizen von Blattläusen befallen, produziert er eine weniger giftige Form von Benzoxazinoiden, die die Bildung von Kallose reguliert. Kallose hindert Blattläuse am Saugen. (Bildquelle: © Beibei Li und Tobias Züst, Universität Bern, Schweiz)
Wird Weizen von Blattläusen befallen, produziert er eine weniger giftige Form von Benzoxazinoiden, die die Bildung von Kallose reguliert. Kallose hindert Blattläuse am Saugen. (Bildquelle: © Beibei Li und Tobias Züst, Universität Bern, Schweiz)

Benzoxazinoide können in Weizen einerseits direkt als Giftstoffe gegen Schmetterlingsraupen wirken oder die Abwehrprozesse gegen Blattläuse steuern. Den Wechsel zwischen beiden Funktionen schaltet ein Methyltransferase-Enzym. Auch bei Mais steuert eine Methyltransferase die Abwehr gegen verschiedene Schädlinge. Die verantwortlichen Methyltransferasen sind in Weizen und Mais jedoch unabhängig voneinander entstanden.

Blätter, Stängel und Pflanzensaft sind für Fraßfeinde der Pflanzen eine begehrte Nahrungsquelle. Da Pflanzen nicht weglaufen können, müssen sie sich an Ort und Stelle effizient gegen Raupen, Blattläuse und Co. wehren – doch das ist nicht ganz einfach. Zur Abwehr nutzen Pflanzen sekundäre Pflanzenstoffe (SPS), die die Fraßfeinde auf unterschiedliche Art und Weise an der Nahrungsaufnahme hindern. Während Blatt-fressende Insekten mittels toxisch wirkender SPS in den Blättern meist erfolgreich abgewehrt werden können, ist diese Taktik gegen saftsaugenden Angreifern wirkungslos.

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Weizenpflanzen, in die ein Methyltransferase-Gen von Mais eingebracht worden ist, können ihre Abwehr nicht mehr angemessen steuern und werden so anfällig für Blattlausbefall.

Weizenpflanzen, in die ein Methyltransferase-Gen von Mais eingebracht worden ist, können ihre Abwehr nicht mehr angemessen steuern und werden so anfällig für Blattlausbefall.

Bildquelle: Beibei Li, Universität Bern, Schweiz

Enzym beeinflusst Wirkung der Benzoxazinoide

Zu den SPS gehören auch die Benzoxazinoide. In Mais konnten Wissenschaftler bereits beobachten, wie ein bestimmtes Methyltransferase-Enzym die Wirkung der Benzoxazinoide beeinflusst. Wie eine Art Schalterfunktion entscheidet das Enzym, ob Benzoxazinoide die Pflanze als wirksame Blatt-Toxine vor Raupenfraß schützen oder diese Stoffe die Bildung von zusätzlicher Kallose anregen. Kallose ist ein pflanzliches Polysaccharid, das die Leitgefäße abdichtet und so den Blattläusen das Saugen von Pflanzensäften erschwert.

Bei einem Raupenangriff setzten die Maispflanzen den Abwehrmetaboliten DIMBOA-Glc in das Raupen-toxische HDMBOA-Glc um. Dazu wird die Transkription von drei eng verwandten O-Methyltransferasen (OMTs) hochgeregelt. Im Gegensatz dazu wird bei einem Blattlausangriff DIMBOA in den apoplastischen Raum abgegeben. Der DIMBOA-Glc-Spiegel der Zelle bleibt hoch und induziert dadurch die Kallose-Bildung in den Leitgefäßen.

Transgene Weizenpflanzen produzieren Abwehrstoff dauerhaft

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena und ihre Kollegen haben diesen Prozess nun auch in Weizen untersucht: „Unser Ansatz war es, diesen Schalter aus dem Mais auch in den Weizen einzubringen und ihn permanent zu aktivieren. Mit Hilfe unserer Kollegen am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung stellten wir transgene Weizenpflanzen her, die nicht mehr zwischen Giftstoffproduktion und Abwehrregulation wählen können, sondern permanent den Giftstoff produzieren. So konnten wir die Funktion der Benzoxazinoide im Weizen im Detail aufklären“, so Tobias Köllner vom MPI in Jena.

Mit diesen Konstrukten konnten die Wissenschaftler den entsprechenden Schalter im Weizen identifizieren und biochemisch sowie stammesgeschichtlich genauer bestimmen.

Gleiches Prinzip, aber unterschiedliche Gene

Die faszinierende Erkenntnis daraus: Obwohl Mais und Weizen ihre wichtigsten Abwehrstoffe, die Benzoxazinoide, über die gleichen Biosynthesewege produzieren, sind die Gene, die das Hin- und Herschalten zwischen der giftigen und der regulativen Form steuern, in Mais und Weizen kaum miteinander verwandt. Beide Getreidearten haben diesen Schalter im Laufe der Evolution also unabhängig voneinander entwickelt. Dieses Phänomen nennen Forscher konvergente Evolution.

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Mit Abwehrstoffen wie Benzoxazinoiden können sich Pflanzen gegen Schädlinge wie Blattläuse wehren.

Mit Abwehrstoffen wie Benzoxazinoiden können sich Pflanzen gegen Schädlinge wie Blattläuse wehren.

Bildquelle: © pixabay/CC0

Konvergente Evolution: Abwehr an verschiedene Fraßfeinde anpassen

Konvergente Evolution ist in der Natur weit verbreitet. Sie kommt zu Stande, wenn verschiedene Arten für dasselbe „Problem“, also unter ähnlichem Selektionsdruck, unabhängig voneinander dieselbe Lösung entwickeln. „Dass zwei Gräser, die den gleichen spezialisierten Abwehrstoff produzieren, den entsprechenden Schalter für dessen Nutzung aber unabhängig hervorbrachten, ist bemerkenswert“, erklärt Matthias Erb.

Evolutionsgeschichtlich junger Vorgang

Dies deute einerseits darauf hin, dass die Fähigkeit, Benzoxazinoide für verschiedene Funktionen zu nutzen, relativ jung sei. „Andererseits scheint die Fähigkeit, die Abwehr spezifisch an verschiedene Fraßfeinde anzupassen, für Pflanzen von großer Bedeutung zu sein. Unserer Meinung nach beobachten wir hier die Entstehung von neuen Regulationsmechanismen weg vom konservierten Kanon der Phytohormone hin zu spezialisierteren Systemen“, sagt Erb. „Interessanterweise nutzen auch Kreuzblütler ihre Abwehrstoffe zur Kalloseregulation, was darauf hindeutet, dass diese Art der Multifunktionalität von Abwehrstoffen weit verbreitet ist.“

Sind Benzoxazinoide Hormone?

Ungeklärt ist bisher noch, durch welche Mechanismen Benzoxazinoide andere Abwehrprozesse steuern und ob es für Benzoxazinoide spezielle Rezeptoren gibt. Dann könnte diese Stoffgruppe auch zu den Phytohormonen gezählt werden. Dieser Aspekt ist nicht nur theoretisch interessant, sondern könnte auch Antworten auf die Frage liefern, warum die Pflanzen Gifte und nicht klassische Pflanzenhormone verwenden, um Abwehrmechanismen zu regulieren.

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