Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zuckerwettstreit im Maisfeld

25.09.2014

Viele Getreidearten und Gräser binden Zucker an ihre Abwehrstoffe, sogenannte Benzoxazinoide, und schützen sich so davor, von ihren eigenen Pflanzenschutzmitteln vergiftet zu werden. Sobald aber ein Insekt die Pflanze anknabbert, spaltet ein Enzym aus der Pflanze den Zucker ab und aktiviert das Gift.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben nun entschlüsselt, warum diese Pflanzenabwehr bei Raupen der Gattung Spodoptera versagt. Die Eulenfalterraupen binden das Zuckermolekül verkehrt herum an den Abwehrstoff von Maispflanzen und machen das Insektengift so unschädlich.


Der Heerwurm Spodoptera frugiperda ist einer der wichtigsten Maisschädlinge in Nord- und Südamerika.

Anna Schroll


Felipe Wouters und Daniel Giddings Vassão im Analytik-Labor: Die Wissenschaftler identifizierten den Stoffwechselprozess, der Spodoptera-Raupen unempfindlich gegen das Pflanzengift macht.

Anna Schroll

Pflanzen und Insekten speichern Zuckerverbindungen als Energievorräte. Zucker können jedoch auch Teil eines tödlichen Wettkampfs zwischen der Pflanze und ihrem Schädling werden, wie Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena jetzt herausgefunden haben. Viele Getreidearten und Gräser binden Zucker an ihre Abwehrstoffe, sogenannte Benzoxazinoide, und schützen sich so davor, von ihren eigenen Pflanzenschutzmitteln vergiftet zu werden.

Sobald aber ein Insekt die Pflanze anknabbert, spaltet ein Enzym aus der Pflanze den Zucker ab und aktiviert das Gift. Die Max-Planck-Wissenschaftler haben nun entschlüsselt, warum diese Pflanzenabwehr bei Raupen der Gattung Spodoptera versagt. Die Forscher fanden im Kot der Insektenlarven, die als Maisschädlinge erheblichen wirtschaftlichen Schaden verursachen, Moleküle der ursprünglichen pflanzlichen Verbindung, die sich lediglich durch eine räumlich anders angebundene Zuckergruppe unterscheiden.

Im Gegensatz zum Pflanzenabwehrstoff kann die neue Verbindung nicht mehr enzymatisch in ein Gift umgewandelt werden. Die verkehrte Wieder-Anbindung des Zuckers stellt somit eine sehr einfache, aber effektive Entgiftungsstrategie dar, mit deren Hilfe Eulenfalterraupen als Landwirtschaftsschädlinge so erfolgreich werden konnten. (Angewandte Chemie - International Edition, September 2014, doi: 10.1002/ange.201406643).

Viele Pflanzen verteidigen sich gegen Insektenfraß, indem sie Gifte oder Abwehrstoffe produzieren. Allerdings haben sich viele Insekten an die pflanzliche Verteidigung angepasst und können sich ungehindert an vermeintlich giftigen Pflanzenblättern gütlich tun. Die Überwindung der Pflanzenabwehr kann darin bestehen, dass die schädlichen Stoffe aus der Pflanzennahrung vom Insekt rasch ausgeschieden, im Gewebe eingelagert oder entgiftet werden.

Durch solche Anpassungen ist im Laufe der Evolution nicht nur die enorme Insektenvielfalt entstanden, es haben sich auch viele, auf bestimmte Pflanzen spezialisierte Schädlingsarten entwickelt, die jedes Jahr unsere landwirtschaftliche Produktion gefährden.

Als weltweit großflächig angebautes Getreide wird Mais von vielen Schädlingen bedroht, darunter auch Raupen der Gattung Spodoptera. In Nord- und Südamerika ist der Heerwurm Spodoptera frugiperda ein wichtiger Maisschädling, der beträchtlichen Schaden verursacht. Mais wehrt sich wie viele andere Gräser und Getreide mit Chemie.

Die Blätter junger Maispflanzen enthalten große Mengen eines Benzoxazinoids namens (2R)-DIMBOA-Glycosid. Die Pflanzen produzieren zusätzlich ein Enzym, das im Raupendarm aktiv wird und dort das DIMBOA-Glycosid spaltet und den Zucker freisetzt. Das freie DIMBOA-Molekül, das bei der Spaltung entsteht, hat auf viele Schädlinge eine toxische Wirkung: Die Schädlinge sterben oder hören auf zu wachsen. Der Heerwurm ist jedoch immun gegen dieses Gift.

Forscher um Daniel Giddings Vassão und Jonathan Gershenzon aus der Abteilung Biochemie am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie sind jetzt einer bisher unbekannten Entgiftungsstrategie dieser Schädlinge auf die Schliche gekommen. Raupen des Heerwurms und zweier weiterer Spodoptera-Arten haben in ihrem Darm ein Enzym, das die Wiederanbindung des Zuckers an das giftige DIMBOA-Molekül katalysiert.

Um eine erneute Abspaltung auszuschließen, wird der Zuckerrest allerdings umgedreht gebunden. Dies fanden die Wissenschaftler bei der chemischen Analyse von Raupenkot heraus. Modernste und hochsensible Verfahren der Massenspektrometrie und Kernresonanzspektroskopie ergaben, dass das Benzoxazinoid aus dem Raupenkot nicht mehr der Substanz aus den Maisblättern entsprach und es sich vielmehr um eine Art Spiegelbild handelt (nunmehr (2S)-DIMBOA-Glycosid genannt).

„Wir waren überrascht, dass der Unterschied lediglich in der geänderten dreidimensionalen Anbindung der Zuckergruppe besteht. Entscheidend ist dabei, dass das pflanzliche Enzym den Zucker nicht mehr abspalten kann und somit das giftige DIMBOA auch nicht mehr zum Einsatz kommt. Die Eleganz dieses Mechanismus besteht in seiner Einfachheit, aber er schützt die Raupen davor, vergiftet zu werden“, fasst Felipe Wouters, der als Doktorand am Institut die Untersuchungen durchgeführt hat, die Ergebnisse zusammen.

Wie sein Kollege Daniel Giddings Vassão kommt er aus Brasilien, wo der Heerwurm vor dem Anbau von Bt-Mais große Teile der Maisernte vernichtete. Wie die Nachrichtenagentur Reuters diesen Sommer berichtete, beobachten brasilianische Farmer jedoch eine zunehmende Resistenz des Schädlings gegenüber Bt, ein Grund mehr, das Verständnis ihrer natürlichen Anpassungs-mechanismen an die pflanzliche Abwehr zu vertiefen. „Wenn wir mehr darüber erfahren, wie ein Darm-Enzym aus dem Heerwurm einen so gefährlichen Schädling gemacht hat, können wir dieses Wissen vielleicht zu unserem Vorteil einsetzen, indem wir beispielsweise das Enzym deaktivieren und die natürliche Maisabwehr vollständig wiederherstellen“, meint Daniel Giddings Vassão.

Pflanzen-Insekten-Wechselwirkungen beinhalten sehr komplexe und dynamische Stoffwechselprozesse. Bei der Analyse und Identifizierung von chemischen Verbindungen, die dabei eine Rolle spielen, wird die dreidimensionale Anordnung der Moleküle oft übersehen. „Dabei birgt die räumliche Struktur der Verbindungen hier den Schlüssel zum Erfolg“, betont Jonathan Gershenzon, Direktor der Abteilung Biochemie. „Wir Menschen können von diesen Insekten eine ganze Menge über das chemische Konzept der Chiralität lernen, nämlich dass eine Verbindung und ihr Spiegelbild völlig unterschiedliche biologische Wirkungen haben, obwohl ihre Atome an denselben Stellen miteinander verbunden sind“.

Der Begriff „Chiralität“ wird vom griechischen Wort für Hand abgeleitet und bezieht sich auf die Entsprechung des Prinzips in der Anatomie, nämlich der spiegelbildlichen Anordnung der rechten und der linken Hand. Einen traurigen Bekanntheitsgrad erlangte die unterschiedliche Wirkungsweise von Spiegelmolekülen durch die katastrophalen Folgen des Beruhigungsmittels Contergan zu Beginn der 60er Jahre:

Der Wirkstoff Thalidomid lag in diesem Medikament in zwei Versionen vor, als (S)- sowie als (R)-Thalidomid. Wissenschaftler gingen bei der Klärung der fatalen Wirkung davon aus, dass nach Einnahme durch schwangere Frauen nur das (S)-Thalidomid Missbildungen bei Ungeborenen auslöste, während das (R)-Thalidomid die gewünschte beruhigende Wirkung hatte.

Die Wissenschaftler wollen jetzt die Enzyme und die beteiligten Gene identifizieren, die für den Entgiftungsprozess in Spodoptera-Raupen verantwortlich sind. Darüber hinaus werden sie nach ähnlichen Enzymen in verwandten Arten suchen und diese miteinander vergleichen. DIMBOA ist nur eine Verbindung aus einer Vielzahl toxischer Benzoxazinoide, die in Gräsern zu finden sind. Ziel der Forschung ist ein umfassendes Bild des Benzoxazinoid-Stoffwechsels in Insekten, das dazu beitragen soll, bessere Strategien zu entwickeln, um Ernteschädlinge in Schach zu halten. [AO]

Originalveröffentlichung:
Wouters, F.C., Reichelt, M., Glauser, G., Bauer, E., Erb, M., Gershenzon, J., Vassão, D.G. (in press). Reglucosylation of the benzoxazinoid DIMBOA with inversion of stereochemical configuration is a detoxification strategy in lepidopteran herbivores. Angewandte Chemie − International Edition. DOI: 10.1002/anie.201406643
http://dx.doi.org/10.1002/ange.201406643

Weitere Informationen:
Daniel Giddings Vassão, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena. Tel. +49 3641 57-1333, E-Mail vassao@ice.mpg.de
Jonathan Gershenzon, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena. Tel. +49 3641 57-1300, E-Mail gershenzon@ice.mpg.de

Kontakt und Bildanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, Tel.: +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/1166.html?&L=1

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

nachricht Darmflora beeinflusst das Altern
21.04.2017 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten