Rätsel um Struktur der Mannane im Weizenkorn gelöst

Mannane sind ein molekularer Bestandteil von Weizenkörnern, die für die Entwicklung und Nährstoffspeicherung verantwortlich sind. Erstmals hat ein EU-Forscherteam jetzt die Struktur der Mannane im Weizen und der an deren Bildung beteiligten Gene mit Hilfe gentechnischer Methoden charakterisiert.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Im Rahmen einer Förderung durch ein Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium hat das EU-finanzierte Projekt MANAN eine Wissensplattform geschaffen, auf denen weitere Forschungsarbeiten zu Mannanen aufbauen können. Potenzielle Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich bei Produkten in den schnell wachsenden Branchen der Lebensmittelindustrie, Agrarwissenschaft und Biomedizin. Ältere Strukturmodelle auf dem Prüfstand Dr. Luc Saulnier vom französischen Nationalen Institut für Agronomieforschung (INRA) ist Projektkoordinator von MANAN und erklärt: „Wir wollten drei Probleme klären: die Struktur der Mannane, ihre Biosynthese und ihre Rolle bei der Kornentwicklung.“ Das Team von MANAN hat die Struktur des Mannans im Weizenkorn isolieren und charakterisieren können und somit die in der Literatur beschriebenen bestehenden Modelle hinterfragt. Dies ist nicht nur Neuland für das Team, denn die genaue Struktur ist für alle verwandten Forschungsbereiche von Bedeutung, besonders für zukünftige Anwendungen in der Genetik und Biochemie. Die Forschergruppe konnte auch zeigen, dass Mannan im Mehlkörper vorkommt, der den wachsenden Keimling ernährt, und schon früh in der Kornentwicklung zu finden ist. Die Gene hinter dem Molekül Da Mannane in der Pflanzenwelt allgegenwärtig sind, hat das MANAN-Team seine Forschung auf andere Pflanzen ausgeweitet und nach den Genen gesucht, die an deren Biosynthese beteiligt sind. Die cellulosesynthase-artige Genfamilie (CSL) und ihre Untergruppe der CSLA kommen bei modernen Pflanzen und bei ihren Urarten wie primitiven Algen gleichermaßen vor. Die Projektforschergruppe untersuchte die Rolle der CSLA-Gene bei der Synthese von Mannanen unter Rückgriff auf verschiedene Quellen: Weizenmutanten aus einer Zusammenarbeit mit dem Rothamsted Research Centre im Vereinigten Königreich, Hefe (Pichia) aus einer Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Arabidopsis aus einer Zusammenarbeit mit der Berkeley University in den Vereinigten Staaten. „Wir konnten in Hefe erfolgreich ein weizenartiges Mannan herstellen und so zeigen, dass das in Frage kommende CSLA-Gen tatsächlich das für die Synthese der Mannangrundstruktur verantwortliche Enzym kodiert“, so Dr. Saulnier. Die Arbeiten am Arabidopsis laufen noch und das Team schließt gerade die Charakterisierung von Arabidopsis -Mutanten ab. Danach können die Ergebnisse veröffentlicht werden. Eine vielseitige Zukunft für Mannane Mannane können als Galactomannane oder Glucomannane auftreten, die in verschiedenen Bereichen als Verdickungsmittel verwendet werden, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie oder im Bergbau. Doch die Mannane im Weizen haben offensichtlich eine völlig andere Struktur und andere Funktionen. Die Bedeutung der Mannane für Pflanzen zeigt sich auch daran, dass in Studien an Arabidopsis, deren Samen keine Mannane oder Glucomannane enthielten, die Pflanzen kaum lebensfähig waren oder ihre Keimlinge abstarben. „Sobald ihre Rolle vollständig geklärt ist, könnten Mannane mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Veränderung von Form und Größe von Körnern eingesetzt werden und damit auch Einfluss auf den Getreideertrag haben“, sagt Dr. Saulnier. Herausforderungen und Lehren für weitere Forschung Auf Basis der Projektergebnisse und aktuellsten Daten aus der Literatur gelten Mannane als grundlegende Struktur, die für die Zellentwicklung und Entwicklung der gesamten Pflanze notwendig ist. „Unser Hauptproblem war, dass der Ansatz mit den Weizenmutanten aufgrund der Komplexität des Weizengenoms nicht wie erwartet funktioniert hat. Darum griffen wir auf andere Systeme zurück (Arabidopsis und Hefe), um die Rolle der in Frage kommenden CSLA-Gene zu demonstrieren“, erklärt Dr. Saulnier. „Doch mit diesen Systemen können wir leider nicht die physiologische und technologische Wirkung von Mannanen im Weizenkorn entschlüsseln“, bemerkt er. Diese Forschungsarbeiten sind potenziell für verschiedene Industriezweige von Interesse – Pflanzenzüchter, Mühlen und Biotreibstoffverarbeiter in Europa – und bieten eine gute Möglichkeit, die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Landwirtschaft zu steigern. „Darum werden weitere Forschungsarbeiten in dieser Richtung wohl sehr nützliche Daten hervorbringen“, so Dr. Saulnier abschließend.

Schlüsselbegriffe

MANAN, Mannane, Weizen, Gen, Korn, CSLA, Biosynthese, Keimling

Mannan-related enzymes of wheat endosperm

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