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Pflanzen verteidigen ihr Revier mit Giftstoffen

06.11.2015

Pflanzliche Kriegsführung ist subtil und höchst komplex. Mit Hilfe eigens produzierter chemischer Stoffe versuchen Pflanzen, sich ihren Platz an der Sonne zu sichern und gegen Nachbarn zu verteidigen. Wie diese Chemikalien wirken, ist bisher wenig erforscht. Ein internationales Forscherteam, darunter Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, haben jetzt gezeigt, dass einige Stoffe beim Kampf gegen Nachbarpflanzen gezielt Eingriffe in die Struktur des Erbguts konkurrierender Pflanzen vermitteln und so deren Wachstum stoppen.

Für Pflanzen bestimmen limitierte Ressourcen den täglichen Kampf um Licht, Wasser und Nährstoffe. Nur wer sich im Wettbewerb behaupten kann, überlebt und produziert Nachkommen. Damit jedoch nicht genug, denn der Gewinner muss das eroberte „Revier“ auch vor anderen Konkurrenten verteidigen.


Manche Pflanzen greifen ihre Nachbarn an, um sich Wachstumsvorteile zu verschaffen. Dazu geben sie über ihre Wurzeln chemische Stoffe ab, z.B. DIBOA, die im Boden umgewandelt werden können.

Claude Becker, Sebastián Petersen (Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie) und Markus Burkard (Uniklinikum Tübingen)

Die bewegungslosen Pflanzen nutzen dafür Allelochemikalien, chemische Stoffe, die Wachstum und Entwicklung anderer Pflanzen hemmen. Das Prinzip dieser sogenannten Allelopathie ist schon lange bekannt und ein weit verbreiteter Mechanismus zur Unterdrückung von Konkurrenten.

Oftmals werden die Stoffe von den Pflanzen über Wurzelsäfte ins Erdreich abgegeben, zerfallen dort zu Abbauprodukten oder werden von Mikroben chemisch verändert. Nachbarpflanzen nehmen dann diese veränderten Stoffe passiv mit dem Wasser aus der Erde auf und werden in ihrem Wachstum gehemmt.

Eine ganze Reihe solcher Allelochemikalien wurde bereits identifiziert. Nicht bekannt war bisher allerdings, wie sie in den Zellen der Zielpflanze wirken. Die Arbeit von Sascha Venturelli und seiner Kollegen bringt jetzt Licht in die pflanzliche Kriegsführung.

„Obwohl das Phänomen schon seit Jahrzehnten bekannt ist, konnten wir jetzt zum ersten Mal einen molekularen Mechanismus für dieses chemische „Territorialverhalten“ von Pflanzen zeigen“, erklärt Claude Becker vom Max-Planck-Institut für Entwicklungs¬biologie, einer der Leiter der Studie.

Die Forscher beschäftigten sich mit einer bestimmten Klasse von Allelochemikalien, den zyklischen Hydroxaminsäuren DIBOA und DIMBOA, die zum Beispiel von einigen Gräsern über die Wurzel abgegeben werden und deren Abbauprodukte bekannt sind für ihre hohe Giftigkeit für Nachbarpflanzen.

Mittels biochemischer und struktureller Analysen, gefolgt von physiologischen Versuchen, zeigten Venturelli und Kollegen, dass die Stoffe grundlegende Zellprozesse direkt beeinflussen, indem sie die Aktivität von Zielgenen verändern.

Dafür hemmen die pflanzlichen Toxine die Aktivität sogenannter Histon-Deacetylasen. Diese Enzyme binden an Histone, welche zusammen mit der DNA die Erbsubstanz bilden, und entfernen Acetyl-Seitenketten. Dies führt zu einer Verdichtung der DNA, was eine geringere Gen-Aktivität zur Folge hat.

In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana führte die Hemmung der Histon-Deacetylasen durch die pflanzlichen Toxine indirekt zu erhöhter Histon-Acetylierung, dadurch zu einer verstärkten Genexpression, und schließlich zur Beeinträchtigung des Wachstums. Damit zeigt die Studie nicht nur einen ersten molekularen Mechanismus für die Aktivität allelopathischer Stoffe, sondern veranschaulicht auch, wie Genexpression direkt durch umweltverursachte Chromatin-Veränderungen beeinflusst werden kann.

Allelochemikalien sind nicht nur für natürliche und landwirtschaftliche Pflanzengemeinschaften relevant, auch bei der Kolonisierung neuer Habitate durch invasive Pflanzenarten spielen sie vermutlich eine entscheidende Rolle. Und nicht nur das: „Naturstoffe allgemein haben eine große Bedeutung, insbesondere in der Therapie menschlicher Erkrankungen“, so Sascha Venturelli vom Universitätsklinikum Tübingen, Erstautor der Studie und einer der beteiligten Mediziner.

“Die von uns untersuchten Substanzen“, erläutert er, „zeigen eine starke krebshemmende Wirkung, die derzeit weiter im Detail erforscht wird“. Erste Wirkstoffe, die Histon-Deacetylasen hemmen, sind bereits als Krebsmedikamente zugelassen. „Deshalb wird diese Wirkstoffklasse aktuell auch am Universitätsklinikum Tübingen im Rahmen klinischer Studien auf ihre Wirksamkeit bei Krebspatienten untersucht“ bestätigen die Mediziner Ulrich Lauer und Michael Bitzer, die das Projekt initiiert und mitbetreut haben. Somit ist die Aufklärung der Wirkweise von Naturstoffen auch für die medizinische Forschung von großer Bedeutung.

Beteiligte Forscher und Institute:
Sascha Venturelli, Alexander Berger, Kyra von Horn, Ulrich M. Lauer und Michael Bitzer von der Abteilung für Innere Medizin I, Medizinische Universitätsklinik, Universität Tübingen;
Regina G. Belz vom Institut für Planzenproduktion und Agrarökologie in den Tropen und Subtropen, Universität Hohenheim, Stuttgart;
Andreas Kämper, André Wegner und Oliver Kohlbacher, Forschungsgruppe Angewandte Bioinformatik, Universität Tübingen;
Alexander Böcker von der Evotec AG, Hamburg;
Gérald Zabulon und Fredy Barneche vom Institut de Biologie de l’Ecole Normale Supérieure (IBENS), CNRS, Paris, Frankreich;
Tobias Langenecker, Detlef Weigel und Claude Becker von der Abteilung für Molekularbiologie, Max Planck Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen

Quelle:
Venturelli et al.
Plants release precursors of histone deacetylase inhibitor to suppress growth of competitors
Advance Publication, The Plant Cell, November 2015 tpc.15.00585

Ansprechpartner:
Dr. Claude Becker
E-Mail: claude.becker@tuebingen.mpg.de

Nadja Winter (Pressereferentin)
Tel.: 07071 601-444
E-Mail: presse-eb@tuebingen.mpg.de

Weitere Informationen:

http://www.plantcell.org/content/early/2015/11/03/tpc.15.00585.abstract
http://www.plantcell.org/content/early/2015/11/03/tpc.15.00916.full.pdf+html

Nadja Winter | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

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