Nutzpflanzen Nano-Maschinen lassen Zuckersaft fließen

Als Produzenten von Zucker und Kohlenhydraten spielen Pflanzen eine wichtige Rolle. Auf diesem Gebiet forschen Wissenschaftler der Universität Würzburg – mit dem Fernziel, den Zuckerhaushalt landwirtschaftlicher Nutzpflanzen zu beeinflussen.

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Würzburg – Der Zucker, den die Menschheit verbraucht, wird vorwiegend aus Zuckerrohr und Zuckerrüben gewonnen. Pflanzen produzieren den süßen und energiereichen Stoff bei ihrer Photosynthese in den Blättern. Von dort transportieren sie ihn in Form von Saccharose über die Leitbahnen hin zu den Geweben, die keine Photosynthese betreiben – und die darum auf den Import von Zucker angewiesen sind, wie etwa Wurzel und Früchte. Wichtig für die Verteilung des Zuckers in der Pflanze ist ein zentrales Molekül, der so genannte Saccharose-Transporter. Er sitzt in den Zellmembranen der Leitbahnen und verbringt wahre Höchstleistungen. Dietmar Geiger von der Universität Würzburg hat sie gemessen und bezeichnet den Transporter nun als „nahezu reibungslos funktionierende Nano-Maschine“.

Starke Transportleistung gegen hohen Widerstand

Ein einziger Transporter pumpt pro Sekunde bis zu 500 Saccharose-Moleküle durch die Zellmembran in die Leitbahnen. Dabei überwindet er einen großen Widerstand: Auch wenn die Leitbahnen schon prall mit Zucker gefüllt sind, kann er trotzdem noch mehr hineinschaffen – bis zu einer Konzentration nahe der Löslichkeitsgrenze der Saccharose. Die starke Anhäufung von Zucker in den Leitbahnen lässt dort den Druck steigen. Gleichzeitig aber wird aus dem Leitungssystem auch Druck abgelassen: in den Geweben, die mit Zucker versorgt werden. Folge: Der Druckunterschied lässt den zuckerhaltigen Saft in der Pflanze dorthin fließen, wo Zucker verbraucht wird. „Wie beim Menschen das Herz für die Zirkulation des Blutes verantwortlich ist, so sorgen die Saccharose-Transporter bei der Pflanze dafür, dass der Zuckersaft fließt“, sagt Geiger.

Gewonnen wurden die Erkenntnisse mithilfe von Eiern des südafrikanischen Krallenfroschs: Die Forscher benutzen sie als lebende Reagenzgläser. Sie bringen das Gen für den Saccharose-Transporter in die Eier ein, wo daraus aktive Transporter produziert und in die Hüllmembran eingebaut werden. „So wird das Transportprotein für biophysikalische Messungen zugänglich“, erklärt Geiger. Unter anderem haben die Wissenschaftler auf diese Weise erstmals demonstriert, dass ein Transportprotein unter physiologischen Bedingungen sowohl für die Beladung als auch für die Entladung der Leitbahnen zuständig sein kann.

Fernziel: Landwirtschaftliche Nutzpflanzen optimieren

„Fernziel unserer Arbeit ist es, die Verteilung und die Speicherung wichtiger Zuckerverbindungen in landwirtschaftlich genutzten Pflanzen zu optimieren“, sagt Dietmar Geiger. Der Pilzbefall von Nutzpflanzen beispielsweise führe Jahr für Jahr zu erheblichen Ernteausfällen. Auch Pilze besitzen Saccharose-Transporter, mit denen sie Zucker aufnehmen – und die noch effizienter arbeiten als die der Pflanzen. Damit untergraben sie die Versorgung der Pflanze mit energiereichen Zuckerverbindungen. „Eine Aufrüstung der Pflanzen mit ähnlich effizienten Saccharose-Transportern könnte den Kampf um die Zuckerressourcen zu Gunsten der Pflanze entscheiden und Ernteausfälle verringern“, so Geiger.

Orginalveröffentlichung: „Sucrose- and H+-Dependent Charge Movements Associated with the Gating of Sucrose Transporter ZmSUT1”, Armando Carpaneto, Hermann Koepsell, Ernst Bamberg, Rainer Hedrich, Dietmar Geiger, PloS one, September 2010, Vol. 5, Issue 9: e12605. DOI: 10.1371/journal.pone.0012605

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