Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Heidelberg ist es jetzt gelungen, die Vielfalt und unterschiedliche Anreicherung von chemischen Substanzen in Pflanzengeweben der ökologischen Modellpflanze Nicotiana attenuata aufzuklären. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe computerbasierter Metabolomanalysen und informationstheoretischen Modellen erzielt. Der eigens für die Studie entwickelte Forschungsansatz ermöglicht die Erforschung des Pflanzenstoffwechsels auf der Ebene einzelner Organe. Somit können die vielfältigen Pflanzenstoffe effizienter erfasst und die Gene, die ihre Biosynthese und Regulierung steuern, schneller identifiziert werden. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, November 2016, DOI 10.1073/pnas.1610218113)

Pflanzen sind Meister der organischen Chemie. Sie sind in der Lage, sehr komplexe Mischungen aus unterschiedlichsten chemische Substanzen zu produzieren. Dabei ist die Bildung und Anreicherung dieser sekundären Pflanzenstoffe physiologisch an die Bedarfe in den jeweiligen Pflanzenorganen angepasst. Ein Team von Wissenschaftlern um Emmanuel Gaquerel von der Universität Heidelberg und Ian Baldwin vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena hat das Metabolom, also die Gesamtheit der Stoffwechselprodukte, der ökologischen Modellpflanze Kojotentabak (Nicotiana attenuata) jetzt genauer unter die Lupe genommen.

Im Mittelpunkt der Forschung standen dabei die Fragen, welche Pflanzenorgane charakteristische Profile ihrer Stoffwechselprodukte aufweisen, welche chemischen Pflanzenstoffe sich vor allem lokal begrenzt in bestimmten Organgeweben anreichern, und wie diese Informationen dazu beitragen können, die für die Bildung dieser Stoffe verantwortlichen Gene besser identifizieren zu können.

Um diese Fragen zu beantworten, machten sich die Forscher den noch jungen Forschungszweig der Metabolomik zu Nutze und entwickelten neue computergestützte Methoden für die Auswertung massenspektrometrischer Substanz-Analysen. Ziel der Metabolom-Forschung ist es, alle Stoffwechselprodukte eines Organismus und deren Wechselwirkungen zu identifizieren und zu quantifizieren. "Wir haben einen Arbeitsablauf entwickelt, der es ermöglicht, die Massenspektren einzelner Substanzen schnell so anzuordnen, dass deren Identität vorhergesagt werden kann", erläutert Emmanuel Gaquerel, der Leiter der Studie. "Computergestützte Metabolomik fasst alle bioinformatischen Ansätze zusammen, die Rückschlüsse erlauben, was die Beschreibung unbekannter chemischer Substanzen in Pflanzen auf der Basis einer Vielzahl komplexer metabolomischer Daten betrifft."

Für die Studie untersuchten die Wissenschaftler die Stoffwechsel-Profile von 14 unterschiedlichen Teilen des Kojotentabaks, darunter, Blütenorgane, Stängel, Blätter, Samen und Wurzeln. "Wir hatten erwartet, dass sich die Stoffwechselprofile von Blütengewebe deutlich von denen anderer Pflanzenteile unterscheiden. Innerhalb der Blüten gab es allerdings ebenfalls große Unterschiede. Überrascht hat uns insbesondere, wie hoch spezialisiert die sekundären Pflanzenstoffe in den Staubbeuteln der Tabakblüten waren", berichtet Dapeng Li, Erstautor der Studie und Doktorand am Max-Planck-Institut. Die Staubbeutel gehören zu den Staubblättern, die als die männlichen Teile der Blüte betrachtet werden. An den Staubbeuteln befinden sich die Pollensäcke, in denen der Pollen gebildet wird. Staubbeutel enthalten besondere Phenolderivate, die unter anderem in der Pollenhaut zu finden sind. Die Biosynthese dieser Phenolderivate und ihre Anreicherung in den Staubbeuteln sind maßgeblich für das besondere Stoffwechselprofil der männlichen Fortpflanzungsorgane verantwortlich.

Durch die Neueinführung informationstheoretischer Ansätze zur Erfassung der Stoffwechselvielfalt konnten die Forscher auch neue Erkenntnisse über die Funktion der einzelnen Stoffe erzielen. Die gewebespezifische Vielfalt von Stoffen wird dabei als Information aufgefasst, die wie jede andere Information statistisch ausgewertet werden kann. Um Stoffwechselfunktionen einzelnen Genen zuordnen zu können, erstellten die Wissenschaftler einen Atlas, auf dem sowohl die Gene, als auch die Stoffwechselprodukte abgebildet waren, die ein ähnliches Aktivierungsmuster in einzelnen Geweben des Kojoktentabaks aufwiesen. Auf der Basis dieses Atlas konnten sie mögliche Kandidaten unter den Genen identifizieren, die bei der Biosynthese bestimmter Stoffe eine Rolle spielen könnten. Insbesondere bei Stoffen, deren Biosynthesewege noch nicht entschlüsselt sind, ist dieser Ansatz zukunftsweisend und leitet einen großen Beitrag zur weiteren Erforschung des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels. Ian Baldwin, Leiter der Abteilung Molekulare Ökologie am Jenaer Max-Planck-Institut, hat grundlegenden Anteil daran, dass der Kojotentabak ein wichtiger Modellorganismus für die Erforschung von Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt wurde. "Pflanzen haben ein ausgeklügeltes System, wie sie ihre Stoffwechselprodukte gewebe- und organspezifisch anreichern. Herauszufinden, wie sie das erreichen, ist von zentraler Bedeutung, wenn wir verstehen wollen, wie Pflanzen in der Natur überleben, " fasst Baldwin die Ergebnisse der neuen Studie zusammen. [AO/KG]

Originalveröffentlichung:
Li, D., Heiling, S., Baldwin, I. T., Gaquerel, E. (2016).
Illuminating a plant's tissue-specific metabolic diversity using computational metabolomics and information theory.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Early Edition,
DOI: 10.1073/pnas.1610218113
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1610218113

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