Medizin am Abend Berlin - MaAB-Fazit: Wie Pflanzen sich bei Eisenaufnahme vor oxidativem Stress schützen – und warum dies auch für den Menschen wichtig ist
Eisen ist ein für das Überleben von Pflanzen wie Menschen entscheidender Mikronährstoff, doch zu viel Eisen kann auch toxisch sein.
Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat festgestellt, dass das Protein PATELLIN2 nicht nur den Eisenhaushalt in Pflanzen mitreguliert.
- PATELLIN2 gehört zu einer Gruppe von Proteinen, die auch am Vitamin-E-Transport im Menschen beteiligt sind.
Die Ergebnisse, die ebenfalls für die Eisenversorgung des Menschen über pflanzliche Nahrung wichtig sind, stellen die Forschenden in der Fachzeitschrift Plant Physiology vor.
Vorgeschlagenes Arbeitsmodell: Durch die Verbindung von PATELLIN2 und IRT1 trägt Vitamin E (Tocopherol) während der Eisenaufnahme in der Wurzel von Arabidopsis thaliana zu verringertem oxidativem Membranstress bei. HHU / Jannik Hornbergs
- Eisen ist ein unverzichtbarer Mikronährstoff für den Menschen.
- Eisen- und auch Zinkmangel in der menschlichen Ernährung verursachen schwerste gesundheitliche Schäden, vor allem bei Ungeborenen und Kleinkindern.
Zur Sicherung der Welternährung und Bekämpfung der
Mangelernährung gerade in den ärmsten Ländern ist es deshalb notwendig,
die Eisenversorgung vordringlich aus pflanzlichen Quellen zu
gewährleisten und durch gezielte Züchtung zu verbessern.
Pflanzen benötigen Eisen, um grundlegende Stoffwechselreaktionen wie
ihre Photosynthese und Atmung zu ermöglichen.
Für sie ist Eisen aber ein
zweischneidiges Schwert: Ungünstige Umweltbedingungen wie Trockenheit
können Pflanzen in Stress versetzen, der durch die Anwesenheit reaktiver
Metallionen – dazu gehört auch Eisen – verschärft wird. Solchen
Stressbedingungen können sich die ortsfesten Pflanzen nicht entziehen:
Sie mussten deshalb im Verlauf ihrer Entwicklung andere Möglichkeiten
entwickeln, um mit den Stressfaktoren umzugehen.
Hierzu gehört die Eisenregulation. Für die Forschung und Anwendung ist
es wichtig zu verstehen, wie Pflanzen den Erwerb und einen
Gleichgewichtszustand (Homöostase) von Mikronährstoffen während ihres
Wachstums mit den potenziell gefährlichen Folgen von oxidativem Stress
in Einklang bringen. Sind diese Prozesse bekannt, können sie gezielt
beeinflusst werden, um Pflanzenproduktivität und Lebensmittelqualität
insbesondere auch angesichts des Klimawandels – der zu mehr
Trockenheitsphasen führen kann – zu verbessern.
Ein Team aus der Biologie, Chemie und Medizin der HHU unter der Leitung
von Prof. Dr. Petra Bauer und Dr. Rumen Ivanov vom Institut für Botanik
der HHU hat die Mechanismen des Eisenerwerbs in Pflanzen –
stellvertretend anhand der Modellpflanze Arabidopsis thaliana
(Ackerschmalwand) – untersucht. Dabei spielt das Eisentransportprotein
IRT1 eine wichtige Rolle bei der Eisenaufnahme in Pflanzenwurzeln.
Die Aktivität von IRT1 wird von Wurzelzellen kontrolliert, wodurch
Pflanzen die durch Metallionen hervorgerufene Toxizität und oxidativen
Stress begrenzen können.
Die HHU-Forschenden konnten zeigen, dass IRT1
ein bestimmtes Transportmolekül bindet, das sogenannte
SEC14-Domänen-Lipidtransferprotein PATELLIN2. Dieses verändert wiederum
seine Proteinumgebung in Abhängigkeit von der Eisenversorgung.
- Ein Lipidtransferprotein, das eine SEC14-Domäne enthält, spielt beim Menschen eine entscheidende Rolle für die Vitamin-E-Homöostase und den Transport von Vitamin E vom Darm über die Leber zu den verschiedenen Organen des Körpers.
- Vitamin E selbst gewinnt der Körper aus pflanzlichen Lebensmitteln, vor allem aus Blättern und Samen.
PATELLIN2 kann das Molekül Alpha-Tocopherol binden, eine der wichtigsten
Vitamin-E-Verbindungen in Blättern und Wurzeln. Jannik Hornbergs, der
die Studien während seiner Promotion an der HHU zusammen mit Dr. Karolin
Montag durchführte: „Wir haben festgestellt, dass das
SEC14-Lipid-Transferprotein PATELLIN2 und Tocopherole für die
Eisenmobilisierung in der Wurzel und die antioxidativen Aktivitäten als
Reaktion auf Eisen entscheidend sind.“
Die Verbindung zwischen der Regulierung von Eisentransportern und einem
SEC14-Lipid-Transferprotein liefert neue Arbeitsmodelle dafür, wie
Zellen Vitamin E nutzen können, um das Ausmaß des durch Eisen
ausgelösten oxidativen Stresses zu kontrollieren.
Dr. Rumen Ivanov und
Prof. Bauer zur Bedeutung der Ergebnisse: „Letztlich können diese nun
bekannten Zusammenhänge genutzt werden, um neue Zuchtziele für
Nutzpflanzen zu identifizieren, mit denen eine Stressresistenz und ein
möglichst hoher Eisengehalt in den Pflanzen erreicht werden kann.“
Das Forschungsprogramm wurde im Rahmen des an der HHU angesiedelten
Sonderforschungsbereichs 1208 „Identity and dynamics of membrane systems
– from molecules to cellular functions“ durchgeführt. Neben dem Team
von Prof. Bauer waren die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Kai Stühler
(Molecular Proteomics Laboratory), Prof. Dr. Birgit Strodel
(Computational Biochemistry Group), Prof. Dr. Laura Hartmann (Institut
für Makromolekulare Chemie) und Prof. Dr. Jürgen Zeier (Molekulare
Ökophysiologie der Pflanzen) beteiligt.
Originalpublikation:
Jannik Hornbergs, Karolin
Montag, Jennifer Loschwitz, Inga Mohr, Gereon Poschmann, Anika Schnake,
Regina Gratz, Tzvetina Brumbarova, Monique Eutebach, Kalina Angrand,
Claudia Fink-Straube, Kai Stühler, Jürgen Zeier, Laura Hartmann, Birgit
Strodel, Rumen Ivanov, Petra Bauer: SEC14-GOLD protein PATELLIN2 binds
IRON-REGULATED TRANSPORTER1 linking root iron uptake to vitamin E, Plant
Physiology, kiac563 (2022).
DOI: 10.1093/plphys/kiac563
Dr.rer.nat. Arne Claussen Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Deutschland
Nordrhein-Westfalen
Fax: 0211/81-15279
E-Mail-Adresse: arne.claussen@hhu.de
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