Getreide nutzt die chemische Abwehr auf multifunktionale Weise gegen verschiedene Pflanzenfresser.

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Bern (Schweiz) und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und ihrer Partner haben mehrere Funktionen von Benzoxazinoiden in Weizen charakterisiert: Die giftige Form der Substanzen macht die Pflanze direkt resistent gegen Lepidopterenlarven, während eine weniger giftige Form indirekte Abwehrmechanismen gegen Blattläuse reguliert. Wissenschaftler haben den „Wechsel“ zwischen diesen verschiedenen Funktionen als Methyltransferase-Enzym identifiziert, das durch die Fütterung von Raupen aktiviert wird. Dieser Schalter ermöglicht es Weizenpflanzen, ihre Abwehrreaktion an verschiedene Pflanzenfresser anzupassen. Ein Vergleich mit Mais zeigt, dass eine Methyltransferase auch Abwehrprozesse im Mais gegen verschiedene Schädlingsinsekten reguliert. Die beiden Enzyme in Weizen und Mais haben sich jedoch unabhängig voneinander entwickelt.

In der Natur sind die Pflanzen einer Vielzahl von Feinden ausgesetzt, die sich von ihren Blättern, Stängeln und Wurzeln ernähren oder sich an ihrem Saft ergötzen. Als Reaktion auf diese Bedrohungen haben die Pflanzen die Fähigkeit entwickelt, sekundäre Metaboliten zu produzieren, zu deren Aufgaben es gehört, Pflanzenfresser daran zu hindern, sich zu ernähren. Pflanzen können solche Abwehrstoffe multifunktional nutzen. Ein Forscherteam um Tobias Köllner vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie und Matthias Erb von der Universität Bern hat nun die Funktion von Benzoxazinoiden im Weizen charakterisiert. Die Forscher nutzten zuvor gewonnene, detaillierte Erkenntnisse über die defensiven Funktionen von Benzoxazinoiden in Mais. In Maispflanzen fungiert das Enzym Methyltransferase als Funktionsschalter: Es entscheidet, ob Benzoxazinoide als effiziente Toxine die Pflanze vor raupenförmigen Pflanzenfressern schützen, oder ob Benzoxazinoide weniger toxisch sind, aber die Kalloseproduktion induzieren. Callose wird als Zellversiegelung verwendet, die Siebelemente blockiert und es den Blattläusen erschwert, Phloem-Saft abzusaugen. „Unser Ansatz war es, den Maisschalter in Weizen einzuführen und dauerhaft zu aktivieren. Gemeinsam mit unseren Kollegen vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Nutzpflanzenforschung haben wir transgene Weizenpflanzen hergestellt, die nicht mehr zwischen Toxinproduktion und Abwehrregulation wählen konnten, sondern ständig die giftige Form der Benzoxazinoide produziert haben. So konnten wir die Funktionen von Benzoxazinoiden im Weizen im Detail aufklären“, erklärt Tobias Köllner.

Der Ansatz ermöglichte eine gründliche Analyse, wie sich der Wechsel zwischen Toxinproduktion und Abwehrregulation auf die Weizenresistenz gegen Lepidopterenlarven und Blattläuse auswirkt. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler den entsprechenden Schalter bei Weizen identifizieren und aus biochemischer und phylogenetischer Sicht analysieren. Obwohl Mais und Weizen beide Benzoxazinoide produzieren – ihre wichtigste Verteidigung, über den gleichen, konservierten biosynthetischen Kernweg -, sind die Gene, die für den Wechsel zwischen ihren toxischen und regulativen Formen verantwortlich sind, nur entfernt verwandt. So haben die beiden Getreidesorten diesen Schalter wahrscheinlich im Laufe der Evolution unabhängig voneinander entwickelt. Wissenschaftler nennen dieses Phänomen „konvergente Evolution“.

„Die konvergente Evolution ist in der Natur weit verbreitet und resultiert aus der Tatsache, dass verschiedene Arten unabhängig voneinander eine Lösung für das gleiche Problem entwickeln. Bemerkenswert ist, dass zwei Gräser, die die gleichen spezialisierten Abwehrstoffe produzieren, den entsprechenden Schalter für ihren Einsatz unabhängig voneinander entwickelt haben. Einerseits kann dies ein Beweis dafür sein, dass sich die Fähigkeit, Benzoxazinoide für verschiedene Funktionen zu verwenden, in jüngster Zeit entwickelt hat. Auf der anderen Seite betont es die Bedeutung der Fähigkeit, die Abwehrreaktionen spezifisch an verschiedene Pflanzenfresser anzupassen. Unserer Meinung nach entstehen hier neue Regulationsmechanismen abseits des konservierten Kanons der Phytohormone hin zu spezialisierten Systemen“, sagt Matthias Erb. „Interessanterweise verwenden Pflanzen der Kohlfamilie auch Abwehrstoffe zur Kalloseregelung, was darauf hindeutet, dass diese Art der Multifunktionalität im Pflanzenreich weit verbreitet ist.“

Im nächsten Schritt möchten die Forscher herausfinden, wie Benzoxazinoide andere Abwehrprozesse steuern. Sie sind besonders daran interessiert, eine Antwort darauf zu finden, ob es Rezeptoren für Benzoxazinoide gibt. Wenn ja, könnten diese durchaus als spezialisierte Hormone eingestuft werden, wodurch die Grenze zwischen Pflanzengiften und Abwehrregulatoren weiter verwischt würde. Letztendlich könnte diese Forschung dazu beitragen, zu beantworten, warum Pflanzen neben den klassischen Pflanzenhormonen auch Toxine zur Regulierung der Abwehr einsetzen.

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