Mit Zink angereicherte Anbaupflanzen zur Verbesserung von Ernährung und Ernährungssicherheit
Bei der Ernährungssicherheit geht es um zuverlässigen Zugang zu Lebensmitteln im Allgemeinen, aber auch zu den notwendigen Vitaminen und Mineralien. Die WHO schätzt, dass 2 Milliarden Menschen an „verstecktem Hunger“ leiden, oft eine Folge einer hauptsächlich pflanzlichen Ernährung, der es an gewissen Mikronährstoffen, insbesondere Vitamin A, Eisen und Zink, mangeln kann. Es wird erwartet, dass der Klimawandel dieses Problem weiter verschärft, da zunehmende Trockenheit den Viehbestand und die Pflanzenerzeugung bedroht. Wenn die entwickelte Welt außerdem einen nachhaltigeren Lebensstil verwirklichen will, muss sie zu einer zunehmend pflanzlichen Ernährung übergehen. Die damit verbundenen gesundheitlichen Vorteile müssen aber gegen das Risiko des Mangels an lebenswichtigen Mikronährstoffen abgewogen werden. Das Projekt PMTFOS untersucht Metallothioneine, eine Familie von Proteinen, die Metalle in Getreiden transportieren und speichern. Pflanzliche Metallothioneine des Typs 4 sind in den Samen aller Blütenpflanzen und den Blättern von Auferstehungspflanzen zu finden. Sie sind voller Zink, das für die Funktion von mindestens 10 % aller menschlicher Proteine notwendig und an allen wichtigen physiologischen Prozessen beteiligt ist. Das unterstützt Samen und Blätter auch bei dem Prozess, sich nach vollkommener Trockenheit wieder zu regenerieren. Aus diesem Grund könnten Metallothioneine den Nährwert von Getreiden erhöhen und ihre Widerstandskraft gegen Trockenheit stärken.
Biophysikalische Proteinanalyse und Pflanzenexperimente
Metallothioneine sind einzigartige Proteine, die den höchsten Gehalt an Metallionen wie Zink aufweisen. Das Projekt PMTFOS beschrieb ihre Eigenschaft, Metall zu binden, und die physiologischen Funktionen der Metallothioneine in Sorghum sowohl auf der Ebene des einzelnen Proteins als auch der ganzen Pflanze. Es leitete eine neue Zusammenarbeit mit dem Pflanzengenetiker José Gutierrez-Marcos ein, der als außerordentlicher Professor an der School of Life Sciences in Warwick tätig ist. In dem Projekt wurde erstmals die Methode CRISPR/Cas9 zum Editing der Metallothionein-Gene bei der Acker-Schmalwand angewendet, um deren Funktion bei Pflanzen zu erforschen. Das von der außerordentlichen Professorin Claudia Blindauer geleitete Forschungsteam stellte durch rekombinante Expression in Bakterien in Gegenwart von Zink, Kupfer oder Kadmium reine Metallothioneinproteine des Sorghums her, wobei mit Metallen belastete Proteine entstanden. Die folgende Analyse mit spektroskopischen und spektrometrischen Methoden ergab, dass jedes Sorghum-Metallothionein verschiedene Präferenzen der Metallbindung hat: Nur das Metallothionein Typ 4 des untersuchten Getreides band Zink besser als andere Metalle, einschließlich des schädlichen Kadmiums. „Daraus lässt sich schließen, dass das Metallothionein Typ 4 das Potenzial hat, Getreide mit Zink anzureichern“, sagt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Agnieszka Mierek-Adamska. „Wir fanden jedoch heraus, dass sehr ähnliche Metallothioneine des Typs 4 von anderen Pflanzen nicht automatisch dieselben Eigenschaften der Metallbindung besitzen. Künftige Forschung muss die Metallbelastung der Pflanze untersuchen.“
Sichere, nahrhafte, hochwertige und kostengünstige Lebensmittel
Das Projekt PMTFOS konzentrierte sich auf Sorghum, ein Getreide mit ungewöhnlicher Widerstandskraft gegen Trockenheit und Hitze. Derzeit ist Sorghum ein Grundnahrungsmittel für 500 Millionen Menschen in Afrika, Amerika und auf dem indischen Subkontinent, doch es könnte bei der Anpassung an den Klimawandel auch in der europäischen Ernährung eine größere Rolle spielen. Außerdem könnte es eine potenzielle Quelle für Nahrungsergänzungsmittel im Kampf gegen Fettleibigkeit und Herz-Kreislauf-Erkrankungen sein, vorausgesetzt, dieses Vorhaben wird nicht von dem niedrigen natürlichen Vorkommen an Zink gefährdet. Das Forschungsteam erweitert seinen Arbeitsbereich, um zu ermitteln, ob pflanzliche Metallothioneine nur bei der Reaktion auf bestimmte Stressstimuli eine Rolle spielen oder ob sie allgemeine Proteine zur Stressregulierung sind. Dabei besteht ein hohes Potenzial für neue stressresistente Getreidesorten. „Die Analyse des molekularen Hintergrunds der Trockenheitsresistenz von Sorghum wird entscheidend für andere zentrale Getreidesorten wie Weizen, Gerste, Mais oder Reis sein. Sein relativ kleines Genom (es ist 3,4 Mal kleiner als das des eng verwandten Maises) macht es zu einem ausgezeichneten Pflanzenmodell“, fügt Mierek-Adamska hinzu.
Schlüsselbegriffe
PMTFOS, Ernährungssicherheit, Zink, Getreide, Sorghum, Pflanze, Ernährung, Klimawandel, Metallothioneine, hitzeresistent, Trockenheit
