Schwefel ist in der Pflanze nicht nur an der Synthese von Stoffen beteiligt, die wichtig für das pflanzliche Wachstum sind, sondern ist auch wichtiger Bestandteil von Stoffen, die der Abwehr von Krankheiten und Schädlingen dienen. Wie Pflanzen bei Schwefelunterversorgung dafür sorgen, dass der vorhandene Schwefel vorrangig für Wachstumsprozesse verwendet und nicht in die Krankheits- und Schädlingsabwehr gesteckt wird, hat neulich eine Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie um Dr. Rainer Höfgen in Kooperation mit Wissenschaftlern in Japan, den USA und Deutschland herausgefunden und in Science Advances veröffentlicht.
Schwefel ist essentiell für Pflanzen
Schwefel gehört wie Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium und Magnesium zu den Makronährstoffen. Im Unterschied zu den Mikronährstoffen benötigen die Pflanzen relativ viel davon, um sich zu entwickeln und zu wachsen. Bei Schwefelmangel kommt es zu Ertragseinbußen. Das liegt daran, dass er u.a. die Bildung von Kohlehydraten beeinflusst und Bestandteil von Proteinen ist, da die Aminosäuren Methionin und Cystein Schwefel enthalten. Schwefel spielt aber nicht nur eine Rolle im Primärstoffwechsel, also dort, wo energiereiche Substanzen wie Zucker, Proteine oder auch Fette gebildet werden, die wichtig für das Wachstum sind, sondern er wird gleichfalls im Sekundärstoffwechsel benötigt. Dort ist er am Aufbau von Vitaminen oder aber auch von Geschmacksstoffen beteiligt. Eine besondere Gruppe von Geschmacksstoffen kommt bei Kreuzblütlern wie Raps oder Kohl vor, denen sie den charakteristischen bitteren Geschmack verleihen und beispielsweise beim Senf oder Meerrettich für die Schärfe sorgen. Diese Verbindungen werden als Glucosinolate oder Senfölglykoside bezeichnet. Sie dienen der Pflanze als Schutz vor Krankheiten und zur Abwehr von Fraßfeinden – womit sie beim Menschen allerdings nicht besonders erfolgreich waren, da wir Kohl, Brokkoli und Co sehr gerne essen.
Schädlingsabwehr einerseits – pharmakologische Wirksamkeit andererseits
Damit sich die Pflanzen nicht selber schaden, müssen die Glucosinolate – damit sie als Schädlingsabwehrsystem wirken können – gespalten werden in Glucose und Senföl. Dazu ist ein Enzym notwendig, dass räumlich getrennt von den Glucosinolaten in der pflanzlichen Zelle vorkommt. Knabbert ein Schädling an der Pflanze kommen Enzym und Glucosinolate zusammen und es entstehen Senföle, die gegen Tierfraß wirken. Stechender Geruch oder bitterer Geschmack sind die Folge. Von der Pflanze eigentlich zur Abwehr produziert, haben sie jedoch – in Abhängigkeit der Konzentration – für den Menschen auch positive Effekte und können medizinisch genutzt werden. Fayzeh Aarabi, Doktorandin in der Arbeitsgruppe um Dr. Höfgen und Erstautorin der Arbeit erläutert dazu: „Senföle haben eine antibakterielle Wirkung, krebshemmende Eigenschaften und nach neuesten Forschungen könnten sie auch antidiabetisch wirken und Enzyme des Entgiftungsstoffwechsels aktivieren. Um die Glucosinolate pharmakologisch nutzen zu können, ist es natürlich von großem Interesse, zu verstehen, wie ihre Produktion in der Pflanze reguliert wird. Genau damit haben wir uns in der nun veröffentlichten Arbeit beschäftigt.“
Regulation der Glucosinolatproduktion
Wird Arabidopsis thaliana, ein Kreuzblütler wie Kohl oder Raps und Versuchspflanze in diesem Projekt, ausreichend mit Schwefel versorgt, so werden Glucosinolate gebildet. Kontrolliert wird die Bildung dieser pflanzlichen Inhaltsstoffe durch sogenannte Transkriptionsfakoren. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die u.a. direkt an die DNA binden. Ihre Aufgabe ist es dafür zu sorgen, dass Gene in RNA übersetzt und Proteine gebildet werden, die dann wiederum dafür sorgen, dass die von der Pflanze benötigten Inhaltsstoffe produziert werden. Im vorliegenden Fall die Glucosinlate.
Dr. Rainer Höfgen kommentiert: „Bei ausreichender Schwefelversorgung können die Pflanzen sowohl die für das Wachstum notwendigen Stoffe bilden, als auch Glucosinolate. Erhalten die Pflanzen zu wenig Schwefel, so werden weiterhin die für das Wachstum wichtigen Stoffe gebildet, während die Pflanze die Produktion der Glucosinolate zurückfährt. Wachstum und Fortpflanzung sind für die Pflanze wichtiger als das Vorhalten von Stoffen zur Schädlingsabwehr.“ Verantwortlich für diese Glucosinolatbremse sind Gene, die bei Schwefelmangel hochreguliert werden. Als Folge davon werden Proteine (SDI1 und SDI2) gebildet, die mit Transkriptionsfaktoren (u.a.MYB28) einen Komplex bilden. Dieser Komplex führt dazu, dass der Transkriptionsfaktor seine Funktion nicht mehr ausüben kann und in der Folge weniger Enzyme der Glucosinolatbiosynthese und damit dann auch weniger Glucosinolate gebildet werden.
„Unser neu gewonnenes Verständnis über die Regulation der Glucosinolatproduktion ist ein wichtiger Schritt dazu, die Synthese von medizinisch wirksamen Inhaltsstoffen in Pflanzen besser zu kontrollieren entweder über eine verbesserte und optimierte Schwefeldüngung oder aber über die Entwicklung neuer Züchtungsstrategien“, da ist sich Fayezeh Aarabi sicher. (Max-Planck-Institut)