Golmer Max-Planck-Forscher identifizieren ungewöhnliches Zuckermolekül, das die Stärkespeicherung in Pflanzen reguliert

Wissenschaftlern des Max-Planck-Institutes für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam ist es gelungen, mit Hilfe gentechnischer und biochemischer Methoden ein Signal zu entschlüsseln, das die Speicherung von Stärke in Pflanzen reguliert. Stärke besitzt eine große wirtschaftliche Bedeutung, da sie einerseits Grundlage unserer Ernährung ist und andererseits als nachwachsender Rohstoff in der Industrie vielseitig eingesetzt wird. Wie in der aktuellen Ausgabe von PNAS (Proceedings of the National Academy) veröffentlicht, konnten die Forscher die Vorstufe eines ungewöhnlichen Zuckers, Trehalose-6-Phosphat, als Signalmolekül identifizieren, das die Stärkespeicherung in Pflanzen stimuliert. Die Erkenntnisse zur Regulation der Stärkespeicherung in Pflanzen bieten gleichzeitig auch Einblicke in die Evolution des pflanzlichen Stoffwechsels. Trehalose-6-Phosphat kommt als Vorstufe des Zuckers Trehalose bereits in Bakterien vor und etablierte sich in der Evolution als Signalmolekül, das Wachstums- und Speicherprozesse bei ständig wechselnden Umweltbedingungen optimiert (PNAS, 2. August 2005).

Pflanzen besitzen die Fähigkeit, mit Hilfe photosynthetischer Prozesse anorganisches Kohlendioxid in organische Zucker wie Saccharose (Haushaltszucker) oder Glukose umzuwandeln. Diese werden für Wachstum und Speicherung genutzt, wobei Stärke als hauptsächliches Speicherprodukt in den Chloroplasten pflanzlicher Zellen entsteht. Bei einem Überschuss von Saccharose wird besonders viel Stärke gebildet. Über welche Signalwege dies erfolgt, war bislang unbekannt.

Trehalose ist ein ungewöhnlicher Zucker, der in einer Reihe von Organismen natürlich produziert wird. Er kommt in Pilzen, Bakterien und Insekten vor, ist pharmakologisch wirksam und wird bei der Lagerung menschlicher Gewebe für eine Vielzahl medizinischer Behandlungen eingesetzt. Da Pflanzen normalerweise nur geringe Spuren dieses ungewöhnlichen Zuckers enthalten, war lange Zeit rätselhaft, warum während der Evolution der Trehalose-Syntheseweg in Pflanzen beibehalten wurde.

Die Max-Planck-Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass Trehalose-6-Phosphat, die Vorstufe von Trehalose, in geringen Konzentrationen notwendig ist, um die Stärkespeicherung in Pflanzen bei Saccharoseüberschuss zu stimulieren. Dies konnte sowohl mit Hilfe transgener Pflanzen belegt werden, die veränderte Konzentrationen von Trehalose-6-Phosphat aufwiesen, als auch durch direkte Zugabe von Trehalose-6-Phosphat in Chloroplasten. Erhöhte Konzentrationen von Trehalose-6-Phosphat führten dabei zu Aktivierung von ADP-Glukose Pyrophosphorylase, dem Schlüsselenzym der Stärkesynthese. Transgene Pflanzen, die in der Synthese von Trehalose-6-Phosphat eingeschränkt waren, zeigten deutlich verringerte Stärkegehalte auch in der Anwesenheit hoher Saccharose-Konzentrationen.

Dr. Peter Geigenberger, Arbeitsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, erklärt: "Die Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die Regulation der Stärkespeicherung in den Chlorplasten, sondern sind auch entwicklungsgeschichtlich von großer Bedeutung." Der Grund dafür ist, dass die Chloroplasten der Pflanzen von photosynthetischen Bakterien abstammen, die im Laufe der Evolution in die Zellen aufgenommen und integriert wurden. Dabei mussten Signalmechanismen etabliert werden, die die Stoffwechselprozesse in den Chloroplasten an die Bedürfnisse der sie umgebenen Zelle anpassen. In diesem Zusammenhang wurde eine Vorstufe des sehr alten Trehalose-Stoffwechselweges als Signalmolekül benutzt, um Speicherprozesse in den Chloroplasten an den allgemeinen Zuckerstatus der Zelle anzupassen.

Originalveröffentlichung:

Trehalose 6-phosphate regulates starch synthesis via posttranslational redox activation of ADP-glucose pyrophosphorylase
Anna Kolbe, Axel Tiessen, Henriette Schluepmann, Matthew Paul, Silke Ulrich and Peter Geigenberger
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) , August 2, 2005, vol. 102, pp. 11118- 11123