Pflanzen sind wahre Meister darin, verschiedenste chemische Stoffe herzustellen, um sich damit beispielsweise gegen Fressfeinde oder Krankheitserreger zu schützen. Unter den hunderttausenden pflanzlichen Wirkstoffen sind nicht wenige wegen ihrer medizinischen Wirkung auch für den Menschen interessant. Viele Nachtschattengewächse bilden beispielsweise sogenannte Withanolide – eine vielfältige Gruppe von Steroiden mit gesundheitsrelevanten Eigenschaften. Die Biosynthese dieser Stoffe und deren Regulation sind bisher noch kaum erforscht.

Das Forschungsteam um Professor Claude Becker, Genetiker an der Fakultät für Biologie der LMU, hat nun einen Gencluster entdeckt, der für die Synthese der Withanolide in der Erdkirsche (Physalis grisea) verantwortlich ist. Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Partnern am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie der Pflanzen in Golm und an der Universität Hohenheim und ist kürzlich im Fachmagazin PNAS erschienen. „Im Genom beherbergen Gencluster, wie der von uns identifizierte, auf engstem Raum die Gene, die für die hintereinandergeschalteten Enzyme eines Biosynthesewegs codieren“, erklärt Becker. „Solche Cluster sichern die gemeinsame Regulation und Vererbung dieser zusammengehörigen Gene.“

Im Falle des Withanolid-Clusters fand das Team eine Verdoppelung im Genom. Die beiden resultierenden Teil-Cluster bilden dabei zwei funktional getrennte Einheiten: Die eine ist ausschließlich in Wurzeln aktiv, die andere nur in oberirdischen Pflanzengeweben. „Was uns überrascht hat, ist, dass die räumliche und funktionale Trennung der beiden Einheiten dabei epigenetisch reguliert zu sein scheint“, sagt Becker. Die beiden Cluster-Versionen heben sich also in der lokalen Struktur und den chemischen Modifikationen des Erbguts voneinander ab. Die Forschenden nehmen an, dass diese Trennung es der Pflanze erlaubt, eine jeweils angepasste chemische Verteidigung in den ober- und unterirdischen Geweben aufzubauen.

Durch vergleichende genomische Untersuchungen konnte das Team außerdem zeigen, dass die Duplikation des Genclusters nur in der Gruppe der Blasenkirschen und ihrer nahen Verwandten stattgefunden hat, während der Cluster an sich innerhalb der Nachtschattengewächse stark konserviert ist, in der Gattung der Tomaten und Kartoffeln aber fehlt. „Unsere Studie ermöglicht erste Einblicke in die Herstellung der vielfältigen und multifunktionalen Gruppe der Withanolide und liefert somit die Grundlage für die potenzielle Entwicklung alternativer Pestizide und pharmazeutischer Wirkstoffe“, so Becker.