Der Pflanzenstoffwechsel erweist sich als komplizierter als bisher angenommen

Pflanzen haben teuflisch komplizierte Stoffwechselnetzwerke entwickelt. Jahrelang konzentrierten sich Wissenschaftler darauf, wie Pflanzen sekundäre Metaboliten herstellen, also Verbindungen, die Pflanzen produzieren, um ihre Abwehr- und Überlebensmechanismen zu verbessern.

„Erst vor kurzem haben wir erkannt, dass die Gene, die an der Herstellung dieser spezialisierten Sekundärmetaboliten beteiligt sind, reguliert werden“, sagte Ying Li, außerordentlicher Professor für Gartenbau und Landschaftsarchitektur an der Purdue University. „Sie werden eingeschaltet, wenn Pflanzen sekundäre Stoffwechselprodukte herstellen müssen. Und sie werden ausgeschaltet, wenn Pflanzen sie nicht mehr herstellen müssen.“

Natalia Dudareva von Purdue, angesehene Professorin für Biochemie sowie Gartenbau und Landschaftsarchitektur, sagte: „Außerdem sind Sekundärmetaboliten oft toxisch für Zellen, wenn sie sich in hohen Mengen ansammeln, wie wir gesehen haben, als wir den Widerstand der Barrieren manipuliert haben, denen flüchtige Sekundärmetaboliten gegenüberstehen.“ passieren, um in die Atmosphäre freigesetzt zu werden. Zellen spüren jedoch die Anhäufung dieser toxischen Verbindungen und regulieren Gene herunter, die für die Bildung von Vorläufern dieser flüchtigen Stoffe verantwortlich sind.“

In einer Sonderausgabe der Zeitschrift Trends in der PflanzenwissenschaftLi und Dudavera unterstreichen die Bedeutung spezialisierter Metaboliten bei der Regulierung der Gene, die Pflanzen zur Bildung chemischer Verbindungen verwenden. Dudareva leitet und Li ist Mitglied des Purdue Center for Plant Biology, dessen Ziel es ist, ein klareres Verständnis der Prozesse zu ermöglichen, die die Pflanzenbiologie beeinflussen.

„Wir sahen erste Hinweise darauf, dass die sekundären Metaboliten selbst das Signal sein können, um zu sagen: ‚Okay, jetzt müssen wir diese Gene ein- und ausschalten‘“, sagte Li. „Und wir wissen fast nichts darüber, wie Metaboliten von den Pflanzen wahrgenommen werden und dann zum Ein- und Ausschalten der Gene führen.“

Die Komplexität des Sekundärstoffwechsels zu verstehen, stellt eine Herausforderung dar, da der Prozess für jede einzelne Pflanzenlinie sehr spezifisch ist. Manchmal produzieren nur bestimmte Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt Sekundärmetaboliten für einen bestimmten Pflanzentyp. Die Pflanzen produzieren Metaboliten oft in geringen Mengen, was ihre Erkennung erschwert.

Forscher müssen auch untersuchen, wie die Metaboliten mit Proteinen interagieren. „Dadurch kann man sagen, welches Protein diese Metaboliten erkennen und an sie binden kann“, sagte Li. Auch die Genregulation ist beteiligt. „Man muss in der Lage sein, die Genexpression zu testen. Und das wird durch das Sequenzierungs-Toolkit der nächsten Generation ermöglicht.“

Auch wenn eine bestimmte Pflanze ihre eigenen einzigartigen Metaboliten herstellt, „erlaubt uns die Next-Gen-Sequenzierung in den letzten 20 Jahren, die Genomaktivität jeder Pflanze zu untersuchen“, sagte sie.

Wie viele Pflanzenwissenschaftler konzentrierte Li einen Großteil ihrer Forschung auf den Primärstoffwechsel, insbesondere den Stickstoffstoffwechsel, auf den Pflanzen für ihr Wachstum angewiesen sind. Der Grad der Spezialisierung auf den Sekundärstoffwechsel überraschte sie. Trotz der Unterschiede zwischen Primär- und Sekundärstoffwechsel scheinen sie auf molekularer Ebene ähnlichen Regeln zu folgen, sagte sie.

„Sekundäre Metaboliten sind wichtig, damit sich eine Pflanze an eine Stresssituation anpassen kann. Beispielsweise helfen Sekundärmetaboliten bei Dürre oder einem Krankheitserregerbefall, diesen Stress abzuwehren“, sagte Li. Auch der Sekundärstoffwechsel ist wichtig für den Bestäubungserfolg. Blumen ziehen Insekten an, aber der Klimawandel wirft Bedenken auf, ob die Beziehung zwischen Bestäubern und Pflanzen weiterhin funktionieren kann.

„Aus diesen Gründen träumt man immer davon, durch Metabolic Engineering Pflanzen dazu zu bringen, mehr spezialisierte Metaboliten zu produzieren, die für das Überleben der Pflanzen nützlich sind, ihnen eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Stressbedingungen bieten, Medikamente herzustellen oder Bestäuber besser anzulocken.“ Sie sagte.

Forscher müssen besser verstehen, wie die Produktion zu vieler Metaboliten die Genregulation stören kann. Aber wenn der Prozess an der richtigen Stelle gestört werden kann, „dann können wir sicher viele Metaboliten produzieren, weil dadurch die Rückkopplungsregulierung nicht ausgelöst wird“, sagte Li.