Genetische Grundlage der Graminbildung aufgedeckt
Das giftige Alkaloid Gramin in Gerste (Hordeum vulgare) ist wichtig für die Abwehr von Insekten und Krankheitserregern, macht die Gräser aber weniger schmackhaft bzw. giftig für Wiederkäuer. Um diese interessante biologische Funktion gezielt in der Pflanzenzüchtung steuern und nutzen zu können, fehlte bisher jedoch die Aufklärung des Stoffwechselwegs von Gramin – was jetzt einem Forschungsteam des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Leibniz Universität Hannover (LUH) gelungen ist: Ein Team um Dr. John D'Auria, Leiter der IPK-Arbeitsgruppe Metabolische Diversität, und Prof. Dr. Jakob Franke, Leiter der Arbeitsgruppe Biochemie sekundärer Pflanzenstoffe, ergründete die genetische Grundlage der Gramin-Biosynthese.
Bevor die Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Science mit dem Titel „Biosynthesis of the allelopathic alkaloid gramine in barley by a cryptic oxidative rearrangement“ erscheinen konnte, waren jedoch mehrere Schritte wichtig:
Entdeckung des entscheidenden Enzyms durch Bachelorarbeit am Institut für Botanik: AMI-Synthase (AMIS)
Die ursprüngliche Entdeckung des neu gefundenen Enzyms AMIS geht auf die Bachelorarbeit im Studiengang Biologie von Johanna Wolf zurück, die auch unter den Koautoren ist. Frau Wolf hat im Rahmen ihrer Bachelorarbeit als Erste zeigen können, dass AMIS für den fehlenden Schritt bei der Bildung von Gramin verantwortlich ist.
Wie Prof. Dr. Jakob Franke, Leiter der Arbeitsgruppe in Hannover, hervorhebt: „Die gesamte Publikation basiert somit auf den Ergebnissen aus dieser Bachelorarbeit. Das zeigt, dass bei uns an der Fakultät auch Abschlussarbeiten zentrale Bausteine für Spitzenforschung sein können.“
Wichtige Erfolgsfaktoren: Teamarbeit und Zugang zu Forschungsinfrastruktur
Wie Jakob Franke berichtet, war es im Bereich der Proteinbiochemie bei der Charakterisierung von AMIS ausschlaggebend, die Expertise der AG Zentraler Nukleotidmetabolismus von Prof. Dr. Witte einbeziehen zu können. Diese institutsübergreifende Zusammenarbeit von Institut für Botanik und Institut für Pflanzenernährung, vereinfacht durch deren räumliche Nähe, war also ein zentraler Erfolgsfaktor. Zudem stütze sich die Generierung der Messdaten auf die Mitbenutzung von Großgeräten innerhalb der Fakultät, insbesondere die Massenspektrometrie-Systeme aus der AG Witte.
Diese Art der Zusammenarbeit mit gemeinsamer Gerätenutzung an der Naturwissenschaftlichen Fakultät wird zurzeit ausgebaut und damit in Zukunft einfacher werden.
Anhand des nun bekannten Stoffwechselwegs von Gramin konnten die Forschenden das Alkaloid biotechnologisch auch in weiteren Organismen erzeugen – in Hefe und in Modellpflanzen wie Nicotiana benthamiana und Arabidopsis thaliana. Bäckerhefe ist ein sehr beliebtes Modellsystem für die Biotechnologie, anhand dessen die Forschenden zeigen konnten, dass man mit dem erhaltenen Wissen Gramin auch in anderen Organismen außerhalb von Pflanzen produzieren kann. Perspektivisch ermöglicht dieses, neuartige Gramin-abgeleitete Alkaloide biotechnologisch zu produzieren. Andererseits konnte die Graminproduktion durch Genom-Editierung in einer Gerstensorte unterbunden werden.
- Leite Dias et al. (2024): Biosynthesis of the allelopathic alkaloid gramine in barley by a cryptic oxidative rearrangement. Science. DOI: 10.1126/science.adk6112
- Gemeinsame Pressemitteilung von IPK Leibniz-Institut und Leibniz Universität Hannover: Forschungsteam entdeckt Schlüssel-Gen für giftiges Alkaloid in Gerste
