Den Stoffwechsel der Pappeln ans Licht bringen
Zweifellos ist die Pappel ein beliebter Baum. Es handelt sich um eine wichtige holzproduzierende Pflanze, ein Modellsystem für die molekulare Forschung und sogar um eine vielversprechende Biomassepflanze für zukünftige Bioraffinerien, (wie es innerhalb von PHYSIO-POP erkundet wird). „Viele Forscherinnen und Forscher arbeiten an Pappeln, um Prozesse zu verstehen, die bei Bäumen gut entwickelt sind, etwa die Holzbildung“, erklärt Wout Boerjan(öffnet in neuem Fenster), Professor an der Universität Gent(öffnet in neuem Fenster) und Hauptforscher am VIB Center for Plant Systems Biology(öffnet in neuem Fenster). „Je mehr Informationen wir über ein bestimmtes Modellsystem haben, desto schneller können neue Informationen gesammelt werden. Neue Entdeckungen werden somit beschleunigt“, sagt er. Obwohl wir bereits viele der in Pappeln enthaltenen Metaboliten kennen, warten zahlreiche noch auf ihre Entdeckung. Metabolitstrukturen zu erkennen und ihre Biosynthesewege und Gene zu entdecken, kann potenziell der Züchtung besserer Bäume dienen. „Bessere Bäume sind Bäume, deren Holz sich leichter in Zellstoff oder fermentierbare Zucker umwandeln lässt, beispielsweise unter Einsatz von weniger Chemikalien oder weniger Energie“, erläutert Boerjan. „Wir haben bereits nachgewiesen, dass mit der Herunterregulierung von Genen, die an der Ligninbiosynthese beteiligt sind, die Verarbeitungseffizienz von Pappelholz deutlich verbessert werden kann.“ Im Rahmen des Projekts POPMET(öffnet in neuem Fenster), das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, nutzten Boerjan und sein Team ein ganzes Spektrum von Verfahren, um Metaboliten und ihre Signalwege in Pappelholz, -rinde und -blättern zu untersuchen. Die Forschung hat bereits Früchte getragen. „Wir sequenzierten die Genome von 750 Schwarzpappeln und verfügen über die Stoffwechselprofile all dieser Bäume, sodass uns nun eine riesige Datenbank mit Verbindungen und den Genen zur Verfügung steht, die möglicherweise an deren Biosynthese beteiligt sind“, fügt Boerjan hinzu. „Diese Datenbank ist der Ausgangspunkt für viele Entdeckungen und Anträge auf Finanzhilfe.“
Metaboliten extrahieren und analysieren
Im Verlauf des Projekts extrahierte das Team zunächst Metaboliten aus Pappelblättern. Anschließend wendete es ein Verfahren mit der Bezeichnung Ultrahochleistungsflüssigkeitschromatografie-Massenspektrometrie (UHPLC-MS) an, um die Tausenden Verbindungen im Inneren zu separieren und vorherzusagen, welche strukturell ähnlich sind. Anschließend wurden Netzwerke von strukturell verwandten Metaboliten erstellt, die versuchsweise Biosynthesewege repräsentieren. Um die Gene zu entdecken, die für die Enzyme in diesen vorläufigen Stoffwechselwegen kodieren, verglich das Team die natürliche Variation in der Häufigkeit eines gegebenen Metaboliten mit der Variation in der DNS-Sequenz in der Population von 750 genetisch unterschiedlichen Pappeln. Dadurch konnten wichtige Biosynthesegene ermittelt werden. Um zu guter Letzt zu beweisen, dass diese Gene an der Produktion von Schlüsselverbindungen beteiligte Enzyme kodieren, werden die entsprechenden Enzyme in Escherichia coli für enzymatische Tests hergestellt, und es wird auch die CRISPR-Cas-Genomeditierung bei Pappeln angewandt, um das Gen auszuschalten. Anschließend überprüfen die Forschenden, ob die vorhergesagte Produktverbindung noch gebildet wird.
Jenseits von Stoffwechselwegen
„Die Pappel ist eine holzerzeugende Pflanze, die sich leicht geschlechtlich kreuzen lässt, um schnell wachsende Hybride zwischen verschiedenen Pappelarten zu erzeugen, und sie eignet sich außerdem für Gentechnik und Genomeditierung“, berichtet Boerjan. „Das Team hofft nun darauf, weitere Gene zu finden, um neue Wege zur Verbesserung von Biomasseertrag und -qualität zu eröffnen. Die sequenzierte Baumpopulation kann zudem genutzt werden, um Gene zu gewinnen, die beispielsweise am Höhen- und Durchmesserwachstum oder an der Toleranz gegenüber Krankheiten und Schädlingen beteiligt sind.“ Die Forschenden werden mithilfe neuer Finanzhilfen weiterführend mit POPMET-Daten arbeiten, um Hunderte Gene, die mit Stoffwechselwegen verknüpft sind und projektintern identifiziert wurden, weiter zu untersuchen. „Wer Interesse daran hat, die Biosynthese eines bestimmten Metaboliten der Pappel zu erforschen oder die biologische Aktivität eines Pappel-Metaboliten zu testen, kann sich gern an mich wenden“, fügt Boerjan hinzu.
