Freiburger Forscher decken grundlegende Schritte in der Biosynthese eines pflanzlichen Hormons auf

Freiburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, zugleich Mitglieder des Exzellenzclusters BIOSS, haben einen wichtigen Schritt in der Biosynthese der so genannten Strigolactone enträtselt und eine neue strigolactonähnliche Substanz entdeckt.

Strigolactone sind pflanzliche Verbindungen mit komplexer Grundstruktur und vielfältigen Funktionen. Sie sind Phytohormone, die unter anderem das Wachstum der Seitenzweige bei zweikeimblättrigen Pflanzen beziehungsweise die Anzahl der Ähren bei Gräsern kontrollieren.

Außerdem werden sie von Wurzeln in sehr geringen Konzentrationen freigesetzt und stellen dadurch Lockstoffe für symbiontische Pilze, aber auch für parasitisch lebende Pflanzen dar. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Online-Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science veröffentlicht.

Der von den Pflanzenwurzeln abgegebene Lockstoff führt bei entsprechenden Pilzen dazu, dass sie wachsen und dass ihre Hyphen sich verzweigen – als erster Schritt auf dem Weg zu einer Symbiose. Sie ermöglicht einen Stoffaustausch zwischen Pilzen und Pflanzen zu beiderseitigem Nutzen. Die von Wirtspflanzen produzierten Strigolactone führen aber auch dazu, dass Samen von parasitischen Pflanzen, wie verschiedene Sommerwurz- und Hexenkrautarten, keimen und als Folge davon Strukturen ausbilden, mit deren Hilfe Nährstoffe des Wirtes aus den Wurzeln angezapft werden können.

Der Befall von Nutzpflanzen durch diese so genannten Wurzelparasiten hat verheerende Folgen für die Landwirtschaft – besonders in Afrika, aber auch in Mittelmeerländern und anderen subtropischen Regionen. Eine der Eindämmungsstrategien könnte darin bestehen, die Samenkeimung der Wurzelparasiten durch Strigolactone, aber ohne einen Wirt auszulösen, was zum Absterben der Keimlinge führt und daher als „Suizidkeimung“ bezeichnet wird.

Es ist länger bekannt, dass Strigolactone aus Carotinoiden gebildet werden. Die als sehr komplex vermutete Biosynthese dieser Verbindungen war bisher jedoch nicht bekannt. Reaktionen, die als geklärt galten, stellten sich als falsch heraus, wie die Untersuchung von PD Dr. Salim Al-Babili und seinem Team zeigte. Die Freiburger Gruppe und ihre Partner klärten die Funktion von drei Enzymen des Stoffwechselwegs auf. Dabei zeigte sich, dass die räumliche Anordnung der Atome des Vorläufers Beta-Carotin für die Strigolacton-Biosynthese entscheidend ist und durch eines der Enzyme bestimmt wird. Erst die entsprechende Konfiguration einer bestimmten Doppelbindung zeigt die überraschende Fähigkeit eines weiteren Enzyms, eine Kombination von komplexen Reaktionen zu katalysieren. Dadurch entsteht eine auf den Namen Carlacton getaufte Verbindung, die auffällige Strukturähnlichkeiten mit Strigolactonen aufweist und auch bereits als Strigolacton wirkt. Carlacton setzt die Samenkeimung parasitischer Pflanzen in Gang und kann auch bei der Regulierung der Anzahl von Ähren im Reis die Rolle von Strigolactonen übernehmen.

Die hier gewonnenen Erkenntnisse könnten in der Pflanzenzucht Anwendung finden. Außerdem eröffnet die verglichen mit Strigolactonen einfachere Carlacton-Struktur neue Möglichkeiten zur Synthese von Verbindungen, die als Hormon oder zur Bekämpfung parasitischer Pflanzen eingesetzt werden könnten. Die Studie der Freiburger Gruppe zeigt, dass die Biosynthese der komplexen Strigolactone unerwartet einfach ist – dank Stereoselektivität und des neuartigen Mechanismus eines der beteiligten Enzyme.

Publikation:
Adrian Alder et al.: The Path from β-Carotene to Carlactone, a Strigolactone-Like Plant Hormone. Science, März 2012.
Kontakt:
PD Dr. Salim Al-Babili
Institut für Biologie II
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-8454
Fax: 0761/203-2675
E-Mail: salim.albabili@biologie.uni-freiburg.de