Entgiftung und Wirkungsweise von Pflanzeninhaltsstoffen bei Pflanzenfressern
In unserer Forschungsgruppe wollen wir die Biochemie der Wechselwirkungen zwischen Pflanzenfressern und der chemischen Abwehr von Pflanzen, auf die sie bei der Nahrungsaufnahme treffen, besser verstehen.
Pflanzen verwenden Cocktails von Abwehrchemikalien zum Schutz gegen Pflanzenfresser - in der Tat wird angenommen, dass viele spezialisierte Metaboliten defensive Funktionen als Antifeedantien oder Repellentien haben. Dazu gehören die relativ weit verbreiteten Phenole, Terpene und Alkaloide sowie die enger verteilten Glucosinolate, cyanogenen Glucoside und Benzoxazinoide, die im Mittelpunkt unserer aktuellen Arbeit stehen. Dennoch gelingt es Herbivoren, diese gut geschützten Pflanzengewebe als Nahrung zu nutzen, und einige Pflanzenschädlinge konkurrieren sogar mit dem Menschen um Nahrungsquellen. Diese erfolgreichen Pflanzenfresser sind dazu in der Lage, indem sie, neben anderen Anpassungen, Entgiftungsstrategien anwenden, die die Toxizität der abwehrenden Phytochemikalien verringern oder umgehen. Die Chemie und Biochemie, die hinter diesen Strategien stehen, sind so vielfältig und komplex wie die pflanzlichen Abwehrcocktails, sind aber selbst bei wirtschaftlich wichtigen Pflanzen-Schädlings-Interaktionen noch recht schlecht verstanden. Andererseits sind die molekularen Mechanismen, durch die die chemischen Abwehrstoffe der Pflanzen ihre toxischen Wirkungen entfalten, in den meisten Fällen ebenfalls noch nicht identifiziert. Während einige verallgemeinerte Wirkmechanismen vorgeschlagen wurden, sind die speziellen Angriffspunkte und die metabolischen Verzweigungen der Intoxikation weitgehend ignoriert worden. Wir wenden eine Vielzahl von chemischen und biochemischen Ansätzen an, um diese beiden Aspekte von Pflanzen-Schädlings-Interaktionen zu untersuchen. Unsere Ziele sind die Identifizierung von Wirkmechanismen der Pflanzenabwehr sowie die Aufklärung und Quantifizierung entsprechender Entgiftungswege innerhalb der Pflanzenfresser. Isotopenmarkierung und -verfolgung liefern uns wichtige quantitative Informationen über die Bedeutung der einzelnen Entgiftungswege, und weitere enzymologische und Silencing-/Knockdown-Studien ermöglichen es uns, die Beteiligung der einzelnen Wege zu demonstrieren und zu zeigen, wie sie dem Pflanzenfresser zugute kommen können. Proteomanalysen und Assays in kultivierten Zellen helfen bei der weiteren Klärung der Prozesse, die direkt und indirekt durch pflanzliche Toxine beeinflusst werden. Unsere aktuellen Projekte können, basierend auf der Wirtspflanzenchemie, unterteilt werden in:
Glucosinolate
Kohl, Brokkoli, Rettich, Wasabi und sogar die Modellpflanze Arabidopsis thaliana... alle diese und andere Pflanzen der Ordnung Brassicales produzieren Glucosinolate, die stickstoff- und schwefelhaltigen Bestandteile der sogenannten "Senfölbombe", einer ungewöhnlichen Verteidigungstaktik gegen Pflanzenfresser. Bei der kauinduzierten "Detonation" dieser Bombe findet eine Kaskade von enzymatischen chemischen Reaktionen statt. Diese verwandeln ansonsten harmlose Pflanzenchemikalien (Glucosinolate) in potente Fraßschutzmittel und sogar Gifte, nämlich u. a. Isothiocyanate, Nitrile und Thiocyanate. Wenn Menschen in diese Pflanzen beißen, erleben sie einen angenehm scharfen Geschmack, der von den Hydrolyseprodukten der Glucosinolate herrührt, während für kleinere Pflanzenfresser dieser Biss giftig oder tödlich sein kann. Einige Pflanzenfresser verfügen jedoch über biochemische Mittel, die es ihnen ermöglichen, diese Pflanzen als Nahrungsquelle zu nutzen. Die Aufklärung der adaptiven biochemischen Strategien von Pflanzenfressern in Bezug auf Glucosinolate und die Mechanismen der Toxizität dieser Verbindungen sind die Hauptziele dieses Projekts.
Rolle von Glucosinolaten in den Diamantmotten-Parasitoid-Interaktionen
Bei bestimmten Hymenopteren-Parasitoiden wurde beobachtet, dass sie zwischen Diamantmottenlarven, die sich von Wirtspflanzen mit unterschiedlicher Glucosinolat-Zusammensetzung ernähren, unterscheiden. Es ist jedoch nicht bekannt, welche einzelnen Glucosinolate für diese unterschiedliche Reaktion der Parasitoiden verantwortlich sind. Ebenso ist unbekannt, ob die Glucosinolat-Desulfatierung für die Larven vorteilhaft oder schädlich ist, wenn sie von Parasitoiden angegriffen werden. Ruo Sun schlägt vor, diese Fragen zu beantworten, indem er die Interaktion zwischen Parasitoiden und Glucosinolat-Desulfatase-geschädigten Diamantmottenlarven untersucht.
Glucosinolat-Entgiftungsstrategien bei Phloemfressern in einem multitrophischen Kontext
Pflanzen aus der Familie der Brassicaceae verteidigen sich gegen Pflanzenfresser, indem sie Glucosinolate und deren giftige Abbauprodukte produzieren. Einige Pflanzenfresser, wie die phloemfressende Kohlblattlaus Brevicoryne brassicae, haben ihrerseits Mechanismen entwickelt, um mit diesen Pflanzentoxinen fertig zu werden, einschließlich der Sequestrierung zur eigenen Verteidigung gegen Fressfeinde. Solche pflanzenfressenden Selbstverteidigungsmechanismen stellen einen möglichen Weg dar, über den Nicht-Zielorganismen auf höheren trophischen Ebenen den Pflanzenabwehrstoffen ausgesetzt sind. Die chemische Ökologie solcher multitrophischen Interaktionen, die durch phloemfressende Herbivoren vermittelt werden, ist noch wenig erforscht. Zum Beispiel ist weitgehend unbekannt, wie Räuber eines solchen Pflanzenfressers, wie Marienkäfer, die in ihrer Beute vorhandenen Toxine verstoffwechseln. Verschiedene Marienkäferarten aus der Familie der Coccinellidae, die mehr oder weniger gut an die Toxine von Brevicoryne brassicae angepasst zu sein scheinen, werden es uns ermöglichen, die wichtigsten Entgiftungswege von Glucosinolaten in einem multitrophischen Kontext besser zu verstehen. Dieses Projekt wird im Rahmen des DFG-geförderten Sonderforschungsbereichs ChemBioSys (chembiosys.de) durchgeführt.
Cyanogene Glukoside
Cyanogene Glucoside (CNGlc) sind als aktivierte chemische Abwehr in vielen landwirtschaftlich relevanten Pflanzen vorhanden, z. B. in den Gräsern Hafer und Mais, in Obstkulturen wie Äpfeln und Mangos sowie im südamerikanischen und subsaharischen Grundnahrungsmittel Maniok. Die Abspaltung einer CNGlc-Zuckergruppe führt zur Freisetzung von HCN, das die Zellatmung hemmt und zu Toxizität und Tod führt. Wir wollen verstehen, wie die Entgiftung von CNGlcs und anderen Abwehrchemikalien der Maniokpflanze es einigen Stämmen der Weißen Fliege Bemisia tabaci aus Subsahara-Afrika ermöglicht, Maniok erfolgreich und im Übermaß zu besiedeln. Die Besiedlung durch diese Phloemfresser führt zu großen Verlusten in der Maniokproduktion, entweder direkt oder über von B. tabaci übertragene Viren.
This project is being performed in collaboration with Prof. Shai Morin and Dr. Osnat Malka from the Hebrew University of Jerusalem as part of a Bill & Melinda Gates Foundation-funded initiative led by the Natural Resources Institute of the University of Greenwich.
DIMBOA-Entgiftung beim Herbst-Heerwurm (Spodoptera frugiperda)
Der Herbstheerwurm (FAW) ist ein berüchtigter landwirtschaftlicher Schädling, der große Schäden an einer Reihe von landwirtschaftlichen Getreidekulturen verursacht, wobei Mais eine seiner wichtigen Wirtspflanzen ist. Mais produziert eine hochgiftige Abwehrsubstanz, das Benzoxazinoid DIMBOA, das das Wachstum verschiedener Insektenschädlinge, die sich von der Pflanze ernähren, hemmt, aber gegen den FAW weitgehend ineffizient zu sein scheint. Als Reaktion auf mechanische Beschädigung durch Herbivorie setzt die Pflanze DIMBOA aus seiner (2R)-glucosidischen Speicherform frei, aber die FAW-Larven re-glucosylieren die Verbindung effektiv mit einer stereochemischen Verschiebung, die (2S)-DIMBOA-Glucosid zu einem ungeeigneten Substrat für defensive pflanzliche Glucosidasen macht, die im Insektendarm noch aktiv sind. Diese Entgiftungsreaktion wird im Insekt durch UDP-Glucosyltransferasen (UGTs) erreicht, eine sehr vielseitige Klasse von Enzymen, die gegen ein breites Spektrum von Verbindungen aktiv sind. Wir versuchen derzeit zu verstehen, wie kritisch dieser DIMBOA-Entgiftungsweg in FAW ist. Das Grundprinzip beinhaltet das Silencing von UGT-Kandidaten, die typischerweise als Reaktion auf DIMBOA exprimiert werden und sehr substratspezifisch sind. Die Idee ist, das Zusammenspiel zwischen der Wahl der Wirtspflanze und den UGTs zu verstehen, die möglicherweise die wichtigsten Rollen bei der Verleihung der Toleranz gegenüber DIMBOA spielen, und wie sich diese Enzyme im Kontext der unterschiedlichen Wirtsnutzung entwickeln.