Einzelne Arten ganz unterschiedlicher Pflanzenfamilien bilden spezielle Abwehrstoffe, sogenannte Benzoxazinoide, die für viele pflanzenfressende Insekten und Tiere giftig sind. Auch Mikroorganismen wehren die Pflanzen damit ab. Zudem sind Benzoxazinoide an der Interaktion zwischen einzelnen Pflanzen beteiligt, wo sie Artverwandte unterstützen und artfremde Pflanzen schädigen. Der Syntheseweg dieser von Indol abgeleiteten chemischen Verbindungen umfasst mindestens acht Schritte, die von ebenso vielen Enzymen katalysiert werden, und ist bereits seit den 1990er Jahren bekannt – jedoch nur für einkeimblättrige Gräser wie Mais, Weizen und Roggen.
Benzoxazinoide kommen aber noch in vielen weiteren Pflanzenarten vor, die evolutionär weit voneinander entfernt sind. Von diesen Gewächsen war bislang nicht bekannt, wie sie die Abwehrstoffe herstellen; mehrere Versuche, ihre Stoffwechselwege aufzuklären, blieben erfolglos. Vermutet wird jedoch, dass sie sich von der Biosynthese in Mais unterscheiden.
Warum können so verschiedenartige Pflanzen dieselben Stoffe bilden?
Ein Forschungsteam um Matilde Florean vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie hat nun den Syntheseweg der Benzoxazinoide bei zwei dieser nur sehr entfernt verwandten Pflanzenarten untersucht: der Zebrapflanze (Aphelandra squarrosa) und der Gewöhnlichen Goldnessel (Lamium galebodolon). Während die erste eine Zimmerpflanze ist und Benzoxazinoide vor allem in den Wurzeln herstellt, wächst die zweite an Waldrändern und bildet diese Stoffe in allen Pflanzenteilen. Für beide Pflanzenarten analysierten die Forschenden ihre Inhaltsstoffe beziehungsweise Stoffwechsel(zwischen)produkte und die Gesamtheit ihrer aktiven Gene in allen Pflanzenteilen.
Diese Daten verglichen die Wissenschaftler wischen den verschiedenen Organen der Zebrapflanze und mit nah verwandten Arten der Goldnessel, die keine Benzoxazinoide bilden. Daraus identifizierten sie 90 beziehungsweise 57 Gene, die an der Bildung dieser Verbindungen beteiligt sein könnten. Diese führten sie anschließend in Tabakpflanzen (Nicotiana benthamiana) ein und untersuchten dort, ob die Gene wirklich an der Bildung der Benzoxazinoide beteiligt sind und welche Enyzme aus ihnen hergestellt werden.
Der Vergleich ergab, dass in den beiden untersuchten Pflanzen jeweils ganz andere Enzyme für die Bildung der Benzoxazinoide verantwortlich sind als beim Mais. „Beim Mais führen eine Reihe eng verwandter Cytochrom-P450-Enzyme bestimmte Schritte des Stoffwechselwegs durch. In den beiden anderen Pflanzenarten sind hingegen verschiedene andere Enzymklassen sowie andere Cytochrom-P450-Enyzme aktiv“, erklärt Seniorautor Tobias Köllner vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie. Die untersuchten Arten nutzen zum Beispiel für zwei aufeinander folgende Oxidierungsschritte eine flavinhaltige Monooxygenase mit Doppelfunktion anstatt zwei verschiedener Cytochrom-P450-Enzyme wie in Gräsern.
