Pflanzen verteidigen sich mit Allelochemikalien

Auch für Medizin interessant

Ein internationales Forscherteam, darunter Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, konnte jetzt zeigen, dass einige von Pflanzen abgegebenen Stoffe beim Kampf gegen Nachbarpflanzen gezielt Eingriffe in die Struktur des Erbguts vermitteln und so deren Wachstum stoppen.

Manche Pflanzen greifen ihre Nachbarn an, um sich Wachstumsvorteile zu verschaffen. Dazu geben sie über ihre Wurzeln chemische Stoffe ab, z.B. DIBOA, die im Boden umgewandelt werden können. Toxine, die dabei entstehen, in diesem Beispiel dargestellt durch APO, dringen in die Wurzeln von Nachbarpflanzen ein und hindern diese am Wachstum. Manche dieser pflanzlichen Giftstoffe sind aber auch für die medizinische Forschung interessant und werden derzeit auf ihre Wirksamkeit in der Krebstherapie untersucht (Urheber: Claude Becker, Sebastián Petersen (Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie) und Markus Burkard (Uniklinikum Tübingen)).

Pflanzliche Kriegsführung ist subtil und höchst komplex. Mit Hilfe eigens produzierter chemischer Stoffe versuchen Pflanzen, sich ihren Platz an der Sonne zu sichern und gegen Nachbarn zu verteidigen. Wie diese Chemikalien wirken, ist bisher wenig erforscht.

Eingriff in die Genaktivität
Oftmals werden die Stoffe von den Pflanzen über Wurzelsäfte ins Erdreich abgegeben, zerfallen dort zu Abbauprodukten oder werden von Mikroben chemisch verändert. Nachbarpflanzen nehmen dann diese veränderten Stoffe passiv mit dem Wasser aus der Erde auf und werden in ihrem Wachstum gehemmt. Eine ganze Reihe solcher Allelochemikalien wurde bereits identifiziert. Nicht bekannt war bisher allerdings, wie sie in den Zellen der Zielpflanze wirken. Die Arbeit von Sascha Venturelli und seiner Kollegen bringt jetzt Licht in die pflanzliche Kriegsführung. „Obwohl das Phänomen schon seit Jahrzehnten bekannt ist, konnten wir jetzt zum ersten Mal einen molekularen Mechanismus für dieses chemische „Territorialverhalten“ von Pflanzen zeigen“, erklärt Claude Becker vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, einer der Leiter der Studie.

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Die Forscher beschäftigten sich mit einer bestimmten Klasse von Allelochemikalien, den zyklischen Hydroxaminsäuren DIBOA und DIMBOA, die zum Beispiel von einigen Gräsern über die Wurzel abgegeben werden und deren Abbauprodukte bekannt sind für ihre hohe Giftigkeit für Nachbarpflanzen. Mittels biochemischer und struktureller Analysen, gefolgt von physiologischen Versuchen, zeigten Venturelli und Kollegen, dass die Stoffe grundlegende Zellprozesse direkt beeinflussen, indem sie die Aktivität von Zielgenen verändern. Dafür hemmen die pflanzlichen Toxine die Aktivität sogenannter Histon-Deacetylasen. Diese Enzyme binden an Histone, welche zusammen mit der DNA die Erbsubstanz bilden, und entfernen Acetyl-Seitenketten. Dies führt zu einer Verdichtung der DNA, was eine geringere Gen-Aktivität zur Folge hat.

In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana führte die Hemmung der Histon-Deacetylasen durch die pflanzlichen Toxine indirekt zu erhöhter Histon-Acetylierung, dadurch zu einer verstärkten Genexpression, und schließlich zur Beeinträchtigung des Wachstums. Damit zeigt die Studie nicht nur einen ersten molekularen Mechanismus für die Aktivität allelopathischer Stoffe, sondern veranschaulicht auch, wie Genexpression direkt durch umweltverursachte Chromatin-Veränderungen beeinflusst werden kann.

Bedeutung auch für Medizin
Allelochemikalien sind nicht nur für natürliche und landwirtschaftliche Pflanzengemeinschaften relevant, auch bei der Kolonisierung neuer Habitate durch invasive Pflanzenarten spielen sie vermutlich eine entscheidende Rolle. Und nicht nur das: „Naturstoffe allgemein haben eine große Bedeutung, insbesondere in der Therapie menschlicher Erkrankungen“, so Sascha Venturelli vom Universitätsklinikum Tübingen, Erstautor der Studie und einer der beteiligten Mediziner. „Die von uns untersuchten Substanzen“, erläutert er, „zeigen eine starke krebshemmende Wirkung, die derzeit weiter im Detail erforscht wird“. Erste Wirkstoffe, die Histon-Deacetylasen hemmen, sind bereits als Krebsmedikamente zugelassen. „Deshalb wird diese Wirkstoffklasse aktuell auch am Universitätsklinikum Tübingen im Rahmen klinischer Studien auf ihre Wirksamkeit bei Krebspatienten untersucht“´, bestätigen die Mediziner Ulrich Lauer und Michael Bitzer, die das Projekt initiiert und mitbetreut haben. Somit ist die Aufklärung der Wirkweise von Naturstoffen auch für die medizinische Forschung von großer Bedeutung.

Quelle
Venturelli et al. Plants release precursors of histone deacetylase inhibitor to suppress growth of competitors. Advance Publication, The Plant Cell, November 2015 tpc.15.00585
http://www.plantcell.org/content/early/2015/11/03/tpc.15.00585.abstract
www.plantcell.org/content/early/2015/11/03/tpc.15.00916.full.pdf+html

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