Gegen Hitze- und Ozonstress widerstandsfähige Weinreben
Mit einem Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium untersuchte das über Horizont 2020 EU-finanzierte Projekt OVOC einen allgemeinen Pflanzenschutzmechanismus gegen abiotischen Stress. Dieser wird über spezifische Substanzen vermittelt, so genannte flüchtige Isoprenoide (VIP). Das am einfachsten strukturierte VIP ist Isopren (C5H8). Flüchtige Isoprenoide sind eine wichtige Klasse pflanzlicher Sekundärmetaboliten mit offenbar antioxidativer Wirkung, deren zugrunde liegender Mechanismus aber noch nicht erforscht ist. Einige Kulturpflanzen wie Weinreben produzieren kein C5H8, sondern andere Isoprenoide wie Monoterpene. Auch nach 60 Jahren Forschung ist die Funktion von flüchtigen Isoprenoiden noch nicht hinreichend geklärt, allerdings verbessert C5H8 die Toleranz gegen oxidativen Stress, etwa durch Wärme. „Noch ungeklärt ist dabei, ob die enorme Menge an Kohlenstoff, die eine Pflanze in die Produktion von Isopren investiert, mit dieser Funktion korreliert. Der Mechanismus, durch den Isopren und möglicherweise andere Isoprenoide in Pflanzen antioxidativ wirken, ist immer noch nicht bekannt“, sagt Projektkoordinator Dr. Francesco Loreto. Die Forscher untersuchten in den Pflanzen zunächst einen antioxidativen Mechanismus für C5H8, insbesondere, ob C5H8 in Pflanzen oxidiert wird und somit als Oxidantienfänger agiert. Die Wissenschaftler wollten auch die antioxidative Funktion von flüchtigen Isoprenoiden in Weinreben nachweisen, der wirtschaftlich wichtigsten Obstsorte Europas. Außerdem untersuchten sie, ob ähnliche Mechanismen wie bei C5H8 auch bei anderen Isoprenoiden in Weinreben wirken. Wichtige Erkenntnisse Die Forschergruppe analysierte flüchtige Isoprenoide mit einem hochsensitiven massenspektrometrischen Verfahren (Flugzeitmassenspektrometer PTR-TOF-MS) auf mögliche Oxidationsprodukte und flüchtige pflanzliche Stoffwechselprodukte. Dies erfolgte in Echtzeit und sehr hoher Empfindlichkeit, wobei die isotopisch markierten Substanzen mittels experimenteller Kohlenstoffüberwachung aufgetrennt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass einige flüchtige Isoprenoide in Form von Monoterpenen in Weinreben antioxidativ wirken. Weiterhin wurde ein neuer Transformationsmechanismus für Oxidationsprodukte von Pflanzen entwickelt und getestet. Schließlich wurde die Erzeugung von mutmaßlichen C5H8-Oxidationsprodukten und ihrer Umwandlungsprodukte bei abiotischem Stress mit der C5H8-Oxidation innerhalb der Blätter in Zusammenhang gebracht. Wie diese Umwandlung von Methylvinylketon in Methylethylketon stattfindet, ist auch für die atmosphärische Forschung von Interesse, da der Ursprung biogenen Methylethylketons – einer wichtigen Verbindung in der Atmosphärenchemie – bisher unbekannt war. Dr. Loreto zufolge ist ein wichtiges Ergebnis, dass „einige flüchtige Monoterpene den Weinstock vor Hitzeschocks schützen, die mit der Zunahme extremer Wetterereignisse durch den Klimawandel wahrscheinlicher werden.“ Weiterer Nutzen Die Entdeckung des neuen Umwandlungsprozesses pflanzlicher Oxidationsprodukte von C5H8 wird für die atmosphärische Forschung von Bedeutung sein. „Isopren und die oxidativen pflanzlichen Isoprenprodukte sind Schlüsselmoleküle, wenn es um die Messung der oxidativen Eigenschaften der Atmosphäre geht, etwa die Bildung von Ozon und Partikeln“, betont Dr. Loreto. Die Ergebnisse von OVOC erweitern damit den Kenntnisstand in den Pflanzenwissenschaften und eröffnen neue Möglichkeiten für Forschung und Analyse. Zudem entwickelt das Projekt derzeit ein Screening-Verfahren zur Bestimmung resistenterer Rebsorten. Langfristig könnten verschiedenste Akteure aus der Agrarwissenschaft und Pflanzenzüchter von OVOC profitieren.
Schlüsselbegriffe
OVOC, Isopren (C5H8), Weinrebe, Stress, flüchtige Isoprenoide (VIP), Monoterpen, Methylethylketon, Atmosphärenforschung, oxidativer Stress, Flugzeitmassenspektrometer, PTR-TOF-MS
