Unterirdische Kämpfe

Pflanzen erobern und schützen ihren Lebensraum auf eine ganz besondere Art und Weise. Nicht so sehr indem sie sich bewegen oder ihre Konkurrenten lauthals verjagen, sondern indem sie Sondereinheiten losschicken, die Chemikalien. Mit diesen hemmen sie die Keimung und Entwicklung von Nachbarpflanzen. Wissenschaftler klärten die molekularen Mechanismen dieser chemischen Kriegführung auf. Dabei stellten sie fest, dass die beteiligten Stoffe auch für menschliche Zellen giftig sind.

Ist ein Standort dicht besiedelt, sind Ressourcen wie Wasser, Nährstoffe oder Licht für Pflanzen oft eine Mangelware. Im Gegensatz zu Tieren können sie nicht in andere Gebiete auswandern oder Konkurrenten aus dem Revier mit lautem Gebrüll vertreiben. So idyllisch eine Blumenwiese oberirdisch erscheinen mag, im Boden tobt ein verdeckter Krieg. Mithilfe von Chemikalien treten Pflanzen ihren Nachbarn auf die Füße und bedrängen sie.

Diese Form der chemischen Kriegsführung heißt Allelopathie. Dabei sondern Pflanzenwurzeln bestimmte Chemikalien (Allelochemikalien) ab, die die Nachbarpflanzen hemmen.

Sekrete für den chemischen Kampf

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Forscher in Tübingen, Stuttgart, Hamburg und Paris gingen diesen chemischen Signalen in unmittelbarer Nähe der Wurzeln (der sogenannten Rhizosphäre) nach. Einige Gräser wie der Weizen (Triticum aestivum) setzen Sekundärmetabolite mit einer besonderen chemischen Struktur frei. Die Sekrete gehören zu den zyklischen Hydroxaminsäuren, abgekürzt heißen sie DIBOA (2,4-Dihydroxy-1,4-benzoxazin-3-one) und DIMBOA (2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one). Die Moleküle sind unstabil und werden im Boden zu BOA (benzoxazolin-2-one) und MBOA (6-methoxybenzoxazolin-2-one), dann zu APO (2-aminophenoxazin-3-one) und AMPO (2-amino-7-methoxyphenoxazin-3-one) umgewandelt.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass APO und AMPO die Wurzelbildung von Sämlingen anderer Arten hemmen. Im Experiment nutzten sie die Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) und den Gartensalat (Lactuca sativa), um diese Wirkung auf andere Pflanzenarten zu untersuchen. Die Forscher verglichen APO mit dem Herbizid PEN (Pendimethalin) und stellten fest, dass APO in seiner Wirkung effektiver ist.

Chemikalien gegen die Verpackung der DNA in Menschen und Pflanzen

Aus früheren Studien wussten Forscher, dass sich unter den Chemikalien mit einer Hydroxaminsäure-Gruppe wirksame Inhibitoren von menschlichen Histon-Deacetylasen (kurz: HDAC) befinden. Die Enzyme können Histone modifizieren, indem sie eine kleine chemische Gruppe (Essigsäure- oder Acetyl-Rest) aus den Proteinen entfernen. Die Histon-Modifikation beeinflusst die Art und Weise, wie DNA-Moleküle verpackt sind und bewirken eine epigenetische Veränderung des Erbgutes. Histone mit mehr Acetyl-Resten infolge der Hemmung von HDAC führen zu Euchromatin. Diese wenig kondensierte Form der DNA zeichnet sich durch eine erhöhte Expression der Gene aus. Die Gene im Euchromatin sind aktivere Gene.

Solche Veränderungen in der Genexpression führen oft zu unerwünschten Effekten. So hemmen Inhibitoren der HDAC-Enzyme das Wachstum von Zellen. In der Medizin werden diese Chemikalien als Krebsmedikamente eingesetzt.

Mit einer Reihe von biochemischen und molekularbiologischen Experimenten zeigten die Wissenschaftler, dass APO und AMPO die HDAC-Enzyme der Ackerschmalwand hemmen. Die Zugabe der Giftstoffe führen zu einer erhöhten Acetylierung des Histons H3 und zur Hemmung der Wurzelbildung und -entwicklung. Ein ähnliches Bild fanden Forscher bereits in Mutanten der Ackerschmalwand, die über keine HDAC-Enzyme verfügen.

Zusammenhang zwischen Histon-Veränderung und Genexpression

Die Wissenschaftler stellten zudem einen Zusammenhang zwischen Acetylierung vom Histon H3 und die Genexpression fest. Zirka 400 Gene waren nach Zugabe von APO aktiver, darunter auch solche Gene, die auf Grund von Stresseinflüssen eingeschaltet werden. Andere Gene wurden in ihrer Aktivität gehemmt und waren weniger aktiv. Darunter befanden sich Gene, die das Wachstum der Seitenwurzeln steuern.

Das Phänomen der Allelopathie ist nicht komplett neu. So nutzen Nadelhölzer oder der Walnussbaum Allelochemikalien, um das Wachstum im Unterholz zu hemmen. Auch im Boden lebende Mikroorganismen sind als Produzenten chemischer Kampfmitteln wie Antibiotika bekannt. Einige sind bei der Umwandlung der Pflanzensekrete in die eigentlich chemisch wirksamen Substanzen beteiligt. Die chemische und biologische Komplexität des Bodens ist ein Grund dafür, dass die unterirdischen Kämpfe mit Allelochemikalien weitgehend im Dunkel bleiben. Mit der aktuellen Studie wurde etwas mehr Licht ins Dunkel gebracht und molekulare Zusammenhänge konnten aufgeklärt werden.

Neue Wirkstoffe für Medizin und Landwirtschaft

Mit der im Fachmagazin Plant Cell erschienen Studie konnte der komplexe Wirkungsmechanismus von APO nachgewiesen und der Zusammenhang zwischen der chemischen Kriegsführung der Pflanzen und epigenetischen Effekten hergestellt werden. Histon-Modifikationen durch HDAC-Enzyme sind evolutionsgeschichtlich konservierte Prozesse. Diese lassen sich sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten finden, was auch erklärt, warum diese Stoffe auch bei menschlichen Zellen Wirkung zeigen. Somit gibt die Studie Hoffnung, dass sich auf diesem Weg neue Wirkstoffe für den Pflanzenschutz, aber auch für die Medizin identifizieren lassen.