Die Entdeckung eines Schlüsselproteins für die Biosynthese pflanzlicher Abwehrsteroide könnte Schädlingsbekämpfungsstrategien verbessern

Forscher am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie haben GAME15 als Schlüsselprotein identifiziert, das die Biosynthese sowohl von steroidalen Glycoalkaloiden als auch von steroidalen Saponinen in Pflanzen der Gattung Solanum reguliert.

Die Studie veröffentlicht In Wissenschaft zeigt, dass das Protein für die Bildung dieser Naturstoffe aus einer Cholesterinvorstufe essentiell ist. Schwarze Nachtschattengewächse (Solanum nigrum), die das Protein und damit die steroidalen Saponine nicht mehr produzieren konnten, waren anfälliger für Insekten wie Zikaden und Kartoffelkäfer.

Diese Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Herstellung hochwertiger Steroidmoleküle für medizinische Anwendungen und könnten gezielte Strategien zur Bekämpfung landwirtschaftlicher Schädlinge unterstützen.

Der Biosyntheseweg spezifischer Steroidverbindungen in Nachtschattengewächsen (wie Kartoffeln, Tomaten und Auberginen) beginnt mit Cholesterin. In mehreren Studien wurden die Enzyme untersucht, die an der Bildung steroidaler Glykoalkaloide beteiligt sind.

Obwohl die Gene bekannt sind, die für die Herstellung der Gerüste spezialisierter Steroidmetaboliten verantwortlich sind, ist die erfolgreiche Wiederherstellung dieser Verbindungen in anderen Pflanzen noch nicht gelungen.

Die Projektgruppe „Spezialisierter Steroidstoffwechsel in Pflanzen“ in der Abteilung Naturstoffbiosynthese unter der Leitung von Prashant Sonawane, der heute Assistenzprofessor an der University of Missouri in den USA ist, machte sich auf die Suche nach dem fehlenden Puzzleteil.

„Mit unserem Forschungsprojekt wollten wir vor allem klären, welcher wichtige Bestandteil des Biosyntheseweges der Forschung bislang verborgen blieb und welche Rolle dieses Gen oder Protein dabei spielt. Außerdem wollten wir herausfinden, ob wir den Biosyntheseweg rekonstruieren können.“ „Nachdem wir die fehlende Komponente identifiziert hatten, war es auch ein wichtiger Aspekt unserer Studie, mehr über die ökologische Rolle von Steroidsaponinen in Pflanzen herauszufinden“, beschreibt Prashant Sonawane die Fragestellungen der Studie.

GAME15 – ein unbekannter, aber entscheidender Akteur bei der Biosynthese von Steroidmolekülen in Solanum

Für die Untersuchungen nutzte das Forschungsteam die Wildpflanze Solanum nigrum (Schwarzer Nachtschatten), da sie in verschiedenen Geweben unterschiedliche Steroidverbindungen produziert, die alle aus derselben Vorstufe, dem Cholesterin, stammen.

In den Blättern ist der wichtigste steroidale Metabolit ein Saponin namens Uttrosid B, während in den Beeren die wichtigsten Verbindungen steroidale Glykoalkaloide wie α-Solasonin, α-Solamargin und Malonylsolamargin sind. Die Enzyme GAME6, GAME8 und GAME11 sind an der Bildung beider Arten von Verbindungen beteiligt und kommen sowohl in Blättern als auch in Beeren vor.

Mittels konfokaler Mikroskopie wurde ermittelt, wo sich diese Enzyme in den Zellen befinden. Durch biochemische und molekularbiologische Analysen identifizierten die Forscher ein Gen, das für ein Protein namens GAME15 verantwortlich ist.

Obwohl GAME15 zur Familie der Cellulose-Synthase-ähnlichen Proteine ​​gehört, hat es keine Funktion bei der Celluloseproduktion. Stattdessen ist es wichtig für die Biosynthese von Steroidverbindungen, auch wenn es keine katalytische Funktion wie andere Enzyme hat.

„Unsere Proteininteraktionsexperimente zeigten, dass GAME15 mit den Enzymen GAME6, GAME8 und GAME11 interagiert. Diese Enzyme sind für die ersten Schritte bei der Hydroxylierung von Cholesterin verantwortlich, was zur Bildung des Furostanol-Aglycons (16,22,26-Trihydroxycholesterin) führt. , ein wichtiger Verzweigungspunkt zwischen der Synthese von Steroidsaponinen und Glycoalkaloiden.

„Anhand von Solanum nigrum-Pflanzen, bei denen das GAME15-Gen ausgeschaltet war, konnten wir zeigen, dass diese Pflanzen nicht mehr in der Lage waren, steroidale Glykoalkaloide und Saponine zu produzieren“, erklärt Erstautorin Marianna Boccia, eines der Hauptergebnisse der Studie.

Steroidverbindungen aus Solanum haben großes Potenzial für medizinische Anwendungen

Steroidale Saponine und steroidale Glykoalkaloide sind Gruppen von Verbindungen mit vielversprechenden medizinischen Anwendungen. Aktuelle Studien zeigen beispielsweise, dass bestimmte Saponine bei der Behandlung von Leberkrebs hochwirksam sind. Steroidale Glykoalkaloide haben auch krebsbekämpfende Eigenschaften sowie antimikrobielle und entzündungshemmende Wirkungen.

„Durch die Identifizierung von GAME15 konnten wir den Stoffwechselweg für Steroidverbindungen in heterologen Wirten wie Nicotiana benthamiana rekonstruieren, bis hin zum Gerüst Furostanol, einem Vorläufer steroidaler Saponine, und Solasodin, einem unmittelbaren Vorläufer steroidaler Glykoalkaloide“, sagt Prashant Sonawane .

Die Wiederherstellung medizinisch interessanter Verbindungen in Pflanzen wie Nicotiana benthamiana wird auch als „Pharming“ bezeichnet, ein Kunstwort aus „Pharmazie“ und „Landwirtschaft“.

Beim Pharming werden gentechnisch veränderte Pflanzen mit einem integrierten Biosyntheseweg zur Herstellung medizinischer Verbindungen eingesetzt, um Medikamente kostengünstig und in großem Maßstab herzustellen. Die Ergebnisse der Studie eröffnen daher Möglichkeiten für eine verbesserte Produktion wichtiger steroidbasierter Verbindungen.

Erster Beweis für die ökologische Rolle von Saponinen bei der Abwehr von Pflanzenfressern

Steroidale Glykoalkaloide sind bereits als wichtige Abwehrstoffe der Pflanzen bekannt. Sie sind toxische Verbindungen, die typisch für Nachtschattengewächse sind und auch in Kartoffeln, Tomaten und Auberginen vorkommen. Allerdings lässt sich ihre Toxizität in Nutzpflanzen durch Schälen, Kochen oder Braten deutlich reduzieren.

Bei Tomaten werden die Glykoalkaloide während der Reifung abgebaut, sodass sie in den roten Früchten kaum noch nachweisbar sind. Allerdings war die ökologische Rolle von Steroidsaponinen in Solanum nigrum-Blättern bisher unbekannt.

Ein wichtiger Hinweis kam vom Gewächshausteam, das feststellte, dass GAME15-Knockout-Pflanzen, die keine Saponine produzieren können, anfälliger für pflanzenfressende Insekten waren als Wildtyppflanzen. Fasziniert von dieser Beobachtung führten die Forscher ökologische Experimente in Form von Fütterungsversuchen mit zwei natürlichen Nachtschattenschädlingen durch.

„In einem ersten Experiment wurden zwei Pflanzenfresser, die Zikade Empoasca decipiens und der Kartoffelkäfer Leptinotarsa ​​decemlineata, vor die Wahl zwischen Blättern von Wildtyp-Pflanzen (die steroidale Saponine produzieren) und Blättern von Game15-Knockout-Pflanzen (die keine Saponine produzieren) gestellt aufgrund des Knockouts des GAME15-Gens)“, sagt Marianna Boccia.

„Nach einer Woche haben wir den durch die Insekten verursachten Schaden gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass sich beide Pflanzenfresserarten fast ausschließlich von den Knockout-Blättern ernährten und diese gegenüber den Wildtyp-Blättern bevorzugten. In einem zweiten Experiment verwendeten wir a „Zwangsfütterungs“-Bioassay, insbesondere mit Kartoffelkäfern.

„In diesem Test haben wir einzelne Käfer mit abgelösten Blättern entweder von Wildtyp- oder Knockout-Pflanzen platziert. Nach nur sechs Stunden ernährten sich die Käfer bereitwillig von den Knockout-Blättern, denen steroidale Saponine fehlten, während sie die Wildtyp-Blätter weitgehend mieden und offenbar bevorzugten eher zu verhungern als zu ernähren“, fügte Boccia hinzu und beschrieb den ersten Beweis für die Rolle von Steroidsaponinen bei der Pflanzenabwehr.

Eine mögliche Erklärung für die verschiedenen Gruppen von Verbindungen in Blättern und Beeren ist, dass diese Verbindungen darauf spezialisiert sind, verschiedene Pflanzengewebe zu schützen. Blätter werden eher von Pflanzenfressern befallen, während Beeren anfälliger für Krankheitserreger sind.

„Unsere Entdeckungen verdeutlichen, wie Solanaceae-Pflanzen ein Cellulose-Synthase-ähnliches Protein, das von einer zentralen Stoffwechselfunktion (wie der Cellulose-Biosynthese) entführt wurde, in eine strukturelle Rolle umgewandelt haben, die für die Biosynthese von Verbindungen erforderlich ist, die auf die Abwehr der Pflanzen gegen Krankheitserreger spezialisiert sind“, sagt er Sarah O’Connor, Direktorin der Abteilung für Naturstoffbiosynthese und leitende Autorin der Studie.

„Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Pflanzen mit erhöhter Resistenz gegen Schädlinge und für die Produktion wichtiger steroidbasierter Verbindungen zur Bekämpfung von Krebs und anderen Krankheiten.“