Eisen ist ein kritischer Mikronährstoff für das Überleben von Pflanzen und Menschen, aber zu viel Eisen kann auch giftig sein. Ein interdisziplinäres Forscherteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat herausgefunden, dass das Protein PATELLIN2 nicht nur an der Regulierung des Eisenspiegels in Pflanzen beteiligt ist.
PATELLIN2 gehört zu einer Gruppe von Proteinen, die auch beim Menschen am Transport von Vitamin E beteiligt sind. Ihre Erkenntnisse, die auch für die Versorgung des Menschen mit Eisen über pflanzliche Lebensmittel wichtig sind, haben die Forscher in der Fachzeitschrift veröffentlicht Pflanzenphysiologie.
Eisen ist ein essentieller Mikronährstoff für den Menschen. Eisen- und Zinkmangel in der Ernährung führen vor allem bei Ungeborenen und Kleinkindern zu schweren Gesundheitsschäden. Zur Sicherung der Welternährung und zur Bekämpfung von Mangelernährung insbesondere in den ärmsten Ländern ist es daher notwendig, die Versorgung mit Eisen primär aus pflanzlichen Quellen sicherzustellen und durch gezielte Züchtung zu verbessern.
Pflanzen benötigen Eisen für grundlegende Stoffwechselreaktionen wie Photosynthese und Atmung. Eisen ist für sie jedoch ein zweischneidiges Schwert: Ungünstige Umweltbedingungen wie Trockenheit können Pflanzen unter Stress setzen, was durch das Vorhandensein reaktiver Metallionen – darunter Eisen – noch verstärkt wird. Da Pflanzen verwurzelt sind, können sie sich offensichtlich nicht von lokalen Stressbedingungen entfernen, daher mussten Landpflanzen andere Wege entwickeln, um mit Stressfaktoren umzugehen.
Dazu gehört die Eisenregulierung. Für Forschung und Anwendung ist es wichtig zu verstehen, wie Pflanzen ihre Ernährung mit Mikronährstoffen während ihres Wachstums mit den potenziell riskanten Folgen von oxidativem Stress bewältigen. Wenn wir diese Prozesse kennen, können wir sie gezielt beeinflussen, um die Pflanzenproduktivität und die Lebensmittelqualität zu verbessern, insbesondere angesichts des Klimawandels – der die Wahrscheinlichkeit von Dürren erhöht.
Ein Team aus Vertretern der Biologie, Chemie und Medizin der HHU unter der Leitung von Prof. Dr. Petra Bauer und Dr. Rumen Ivanov vom Lehrstuhl für Botanik hat an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen untersucht. Der eisenregulierte Transporter IRT1 spielt eine wichtige Rolle bei der Eisenaufnahme in Pflanzenwurzeln.
Wurzelzellen kontrollieren die Aktivität von IRT1, wodurch Pflanzen in die Lage versetzt werden, die durch Metallionen verursachte Toxizität und den oxidativen Stress zu begrenzen. Die HHU-Forscher konnten zeigen, dass IRT1 das sogenannte SEC14-Domänen-Lipidtransferprotein PATELLIN2 bindet. Dies wiederum verändert die Proteinumgebung von IRT1 in Abhängigkeit von der Eisenversorgung.
Ein weiteres Lipidtransferprotein mit einer SEC14-Domäne spielt eine Schlüsselrolle bei der Vitamin-E-Homöostase beim Menschen und dem Transport von Vitamin E vom Darm über die Leber zu den verschiedenen Organen im Körper. Der Körper erhält Vitamin E aus pflanzlichen Lebensmitteln, hauptsächlich Blättern und Samen.
PATELLIN2 kann das Molekül Alpha-Tocopherol, eine der wichtigsten Vitamin-E-Verbindungen in Blättern und Wurzeln, binden. Jannik Hornbergs, der die Studien während seiner Promotion durchführte. an der HHU in Zusammenarbeit mit Dr. Karolin Montag, sagt: „Wir haben festgestellt, dass das SEC14-Lipidtransferprotein PATELLIN2 und Tocopherole entscheidend für die Eisenmobilisierung in der Wurzel und antioxidative Aktivitäten als Reaktion auf Eisen sind.“
Die Verbindung zwischen dem Eisentransport und dem SEC14-Lipidtransferprotein ermöglicht neue Arbeitsmodelle dafür, wie Zellen Vitamin E verwenden können, um das Ausmaß des durch Eisen verursachten oxidativen Stresses zu kontrollieren. Dr. Rumen Ivanov und Professor Bauer über die Bedeutung der Ergebnisse: „Letztendlich können diese Verbindungen, die wir jetzt kennen, genutzt werden, um neue Zuchtziele für Kulturpflanzen zu identifizieren, die Stressresistenz erreichen und den Eisengehalt in den Pflanzen maximieren können.“
Mehr Informationen:
Jannik Hornbergs et al., SEC14-GOLD-Protein PATELLIN2 bindet IRON-REGULATED TRANSPORTER1 und verbindet die Eisenaufnahme der Wurzel mit Vitamin E, Pflanzenphysiologie (2022). DOI: 10.1093/plphys/kiac563
Zur Verfügung gestellt von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf