Pflanzliche Hormone als Unkrautvernichtungsmittel

Wissenschaftler haben den Syntheseweg entschlüsselt, mit dem Pflanzen das Strigolakton-ähnliche Hormon Carlakton herstellen. Die neuen Erkenntnisse könnten dabei helfen, Carlakton zukünftig synthetisch zu produzieren, um parasitische Unkräuter zu bekämpfen.

Strigolaktone sind Pflanzenhormone, die auf unterschiedliche Weise die Erträge und die Gesundheit von Pflanzen beeinflussen. Zum einen wirken sie als Hemmstoffe, die ein unkontrolliertes Austreiben von Seitenzweigen verhindern. Darüber hinaus übernehmen Strigolaktone unterirdisch die Funktion von Lockstoffen, mit denen Pflanzen symbiontische Bodenpilze anlocken, die den Pflanzen wichtige Nährstoffe liefern.

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Gleichzeitig lösen die Hormone jedoch auch die Keimung in den Samen schädlicher Unkräuter aus. Das sogenannte Hexenkraut Striga hermonthica beispielsweise führt in Afrika regelmäßigen zu Ernteverlusten von über 60 Prozent. Mit unterirdischen Saugorganen dringt es in die Wurzeln von Mais, Hirse und anderen Nutzpflanzen ein und entzieht ihnen Nährstoffe und Wasser.

Aufgrund ihrer Bedeutung für die Fitness von Kulturpflanzen nahmen Wissenschaftler die Biosynthese der Strigolaktone genauer unter die Lupe. Demnach stellen Pflanzen die Hormone aus β-Carotinoiden her, den pflanzlichen Pigmenten, die vielen Früchten und Blättern eine gelbe bis rötliche Farbe verleihen. Zu dieser Erkenntnis gelangten die Forscher, indem sie die Aktivität und Strukturen der beteiligten Enzyme und Zwischenprodukte des β-Carotinod Syntheseweges mittels Massenspektrometrie analysierten.Dieser Syntheseweg spielt auch in Tieren eine wichtige Rolle, die auf diese Weise die Zwischenformen des Vitamin A aus pflanzlichen Pigmenten herstellen.

Ein entscheidender Schritt für die Strigolakton-Synthese, so zeigte die Studie, ist eine strukturelle Umwandlung der Carotinoid-Moleküle von einer Trans- in eine sogenannte Cis-Struktur. Trans- und Cis-Moleküle bestehen zwar aus der gleichen chemischen Zusammensetzung, unterscheiden sich jedoch in der räumlichen Symmetrie und können ganz unterschiedliche Wirkungen entfalten. In den 60er Jahren führte beispielsweise eine Veränderungen in der Symmetrie des Wirkstoffes Thalidomid im Schlafmittel Contergan zu Fehlgeburten und Missbildungen bei Neugeborenen.

Durch weitere Spaltungs- und Oxidationsschritte nimmt das Cis-β-Carotin schließlich die charakteristische Struktur der Strigolaktone an, die aus vier Lactone-Ringen besteht. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler auch die Synthese des Signalmoleküls Carlakton machweisen, bei dem es sich vermutlich um eine Vorstufe der Strigolaktone handelt. Wie die Strigolaktone hemmte auch Carlakton die Verzweigung der Sprossachse und löste eine Keimung von Striga hermonthica Unkrautsamen aus. Entgegen früherer Behauptungen scheint der dritte Lactone-Ring, der im Carlakton-Molekül fehlt, jedoch nicht notwendig zu sein, um Unkrautsamen zum Keimen zu bringen.

Diese neuen Erkenntnisse sollen jetzt auch dem Pflanzenschutz zugute kommen. Aufgrund der vergleichsweise einfachen Struktur, so hoffen die Forscher, ließen sich möglicherweise synthetische Carlakton-Analoge herstellen, mit denen Bauern die Unkrautsamen bereits vor der Getreidesaat zum Keimen bringen. Ein Problem des Hexenkrauts Striga hermonthica ist die hohe Anzahl von Samen, die bis zu 20 Jahre in den Böden überdauern können. Mit dem Auslösen dieser „Suicidal Germination“ ohne ihren Wirt, würden die Unkräuter gewissermaßen in den Selbstmord getrieben.