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Pflanzenphysiologie: Süßes Signal

Stärke heißt der Stoff, mit dem Pflanzen ihre Energie speichern - und der auch vom Menschen ausgiebig als Grundnahrungsmittel und nachwachsender Rohstoff genutzt wird. Wie die Pflanzen die Speicherung von Stärke regulieren, war bisher ein Rätsel. Ein ungewöhnlicher Zucker könnte hier eine entscheidende Rolle spielen.
Trehalose
Pflanzen besitzen die Fähigkeit, mit Hilfe fotosynthetischer Prozesse anorganisches Kohlendioxid in organische Zucker wie Saccharose 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 bildet die Pflanze besonders viel Stärke. Doch über welche Signalwege dies erfolgt, blieb den Wissenschaftlern bislang verschlossen.

Ein ungewöhnlicher Zucker, den eine Reihe von Organismen produzieren, heißt Trehalose. 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 dieser Substanz enthalten, war lange Zeit rätselhaft, warum die Pflanzen während der Evolution den Trehalose-Syntheseweg beibehalten haben.

Anna Kolbe vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam konnte das Geheimnis jetzt lüften: Zusammen mit ihren Kollegen entdeckte sie, dass die Pflanzen die Vorstufe von Trehalose – Trehalose-6-Phosphat – offenbar in geringen Konzentrationen benötigen, um die Stärkespeicherung bei Saccharose-Überschuss zu stimulieren. Denn als die Forscher die Konzentration des Zuckers in den Chloroplasten der Ackerschmalwand Arabidopsis erhöhten, regte sich das Schlüsselenzym der Stärkesynthese, die ADP-Glukose-Pyrophosphorylase. Genetisch veränderte Pflanzen, die kaum noch Trehalose-6-Phosphat produzieren konnten, zeigten dagegen deutlich verringerte Stärkegehalte auch bei hohen Saccharose-Konzentrationen.

"Die Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die Regulation der Stärkespeicherung in den Chlorplasten", erklärt Arbeitsgruppenleiter Peter Geigenberger, "sondern sind auch entwicklungsgeschichtlich von großer Bedeutung." Denn die Chloroplasten der Pflanzen stammen von fotosynthetischen Bakterien ab, die im Laufe der Evolution in die Zellen aufgenommen und integriert wurden. Dabei mussten die Zellorganellen Signalmechanismen etablieren, um ihre Stoffwechselprozesse an die Bedürfnisse der sie umgebenen Zelle anzupassen. Eine Vorstufe des sehr alten Trehalose-Stoffwechselweges erwies sich hierbei als nützliches Signalmolekül.

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