Stoffwechsel gibt Einblick in das Pflanzenwachstum

Eine Analyse der Inhaltsstoffe von Maisblättern führte Züchtungsforscher an die genetische Basis des Pflanzenwachstums. Mit ihrem Ansatz konnten sie erstmals relevante DNA-Abschnitte für die Ligninproduktion identifizieren. Lignin lässt Pflanzen verholzen und ist damit unentbehrlich für einen stabilen Wuchs. Ihre Ergebnisse helfen nun, effizientere Energiepflanzen zu züchten.

Warum sind einige Maispflanzen nur wenige Zentimeter, andere Sorten hingegen mehrere Meter hoch? Das Pflanzenwachstum ist Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels verschiedener Gene. Die Funktionsweise dieser Gennetzwerke konnten bisherige Analysemethoden jedoch kaum abbilden. Dies ist ein Problem für die Pflanzenzüchtung, die diese Eigenschaften zielgerichtet verändern will. Forscher der Universität Hohenheim, des Max Planck Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI MP) und des Leibniz Instituts für Pflanzengenetik und Nutzpflanzenforschung (IPK) haben nun in einem Verbundprojekt erstmals relevante DNA-Abschnitte für das Wachstum von Maispflanzen identifiziert. 

Umweg über den Stoffwechsel

Ihr Ansatz: Statt allein die Erbinformation der Pflanze nach Kontrollstellen für das Pflanzenwachstum zu durchsuchen, weiteten die Forscher ihre Analyse auf den Stoffwechsel der Pflanzen aus. Sie extrahierten hierzu die Inhaltsstoffe (Metaboliten) aus den jungen Blättern von knapp 300 Maislinien unterschiedlicher Größe. Mit neusten Analyseplattformen aus der Humangenomik bestimmten sie die Gehalte von 118 Stoffwechselprodukten und erstellten so für jede Pflanze ein ganz spezifisches Stoffwechselprofil (Metabolic Profile). In Feldversuchen erfassten sie dann die agronomischen Merkmale der Maispflanzen und glichen diese mit den Profilen der Stoffwechselprodukte ab.

Mit dem Verfahren der Genomweiten Assoziationskartierung konnten die Wissenschaftler die genetischen Kontrollstellen (mQTLs) für 26 Stoffwechselprodukte präzise lokalisieren. Diese DNA-Abschnitte (SNPs) erklärten 32% der genetischen Varianz der untersuchten Maispflanzen. Auf neun Chromosomen konnten 15 besonders starke SNP – Metabolit–Assoziationen identifiziert werden.

#####bildbox1#####

Lignin als Link zwischen Genen und Pflanzenwachstum

Für das Wachstum von Pflanzen ist Lignin unentbehrlich. Reichert sich der Stoff in der Zellwand an, verholzt die Pflanze. Besonders wichtig für die Ligninproduktion in Mais scheint eine DNA-Region auf dem Chromosom 9 zu sein, die für das Enzym Cinnamoyl CoA Reductase kodiert. Dieses Enzym ist ein Schlüsselenzym der Monolignol Synthese. Es beeinflusst die Gehalte diverser Metabolite, die an der Ligninproduktion in der Zellwand beteiligt sind. Damit ist es auch ein wichtiger Kontrollpunkt für das Pflanzenwachstum. Denn je höher der Gehalt an Lignin bzw. deren Vorprodukte p-Cumarsäure und Kaffeesäure in den Maisblättern war, desto größer waren die untersuchten Pflanzen und desto höher deren Biomasseertrag. 

Die entdeckten Regulationsmechanismen der Monolignol Synthese scheinen damit eine vielversprechende Stellschraube zur gentechnologischen Veränderung der Qualität von lignocellulosehaltiger Biomasse zu sein, z.B. für eine optimale Verarbeitung zu Biokraftstoffen. Die unterschiedlich starken Assoziationen zeigen jedoch auch, dass die Signalwege zwischen Stoffwechselzwischenprodukten und dem Ligningehalt ausgewachsener Maispflanzen komplex sind und vermutlich diverse regulative Feedbackschleifen enthalten. Zudem wirken sich Veränderungen in der Monolignol Synthese auch auf sekundäre Metaboliten aus, die nicht an der Ligninproduktion beteiligt sind, sondern andere Merkmale beeinflussen wie etwa die Stressresistenz von Pflanzen. 

Stoffwechselprodukte als Schlüsselfaktoren der Züchtungsforschung

Die Studie verdeutlicht, dass eine Analyse der Stoffwechselprodukte von Nutzpflanzen in Kombination mit den genomischen Daten und dem Wissen um grundlegende biochemische Prozesse innovative Zuchtansätze aufzeigen kann. Verständnislücken zwischen dem Genotyp und dem Auftreten komplexer agronomischer Merkmale (Phänotyp) können so Stück für Stück geschlossen werden. Stoffwechselprofile bieten neue und detaillierte Einblicke in die genetische Varianz von Nutzpflanzen und ermöglichen damit auch Rückschlüsse auf die Performance der Pflanzen auf dem Feld. Trotz dieser fundamentalen Fortschritte bleiben noch weitere Fragen zur Aufklärung der komplexen Genetik des Wachstums offen. Den Forschern gelang es im Verbund wichtige Schritte im Verständnis der Regulationsmechanismen des Pflanzenwachstums zu beleuchten.