Secondary Metabolites and Plant Defense

Berlin

2007

S. 315-344

28 Abb., zahlr. Lit. Ang.

Artikel aus einem BuchUnselbständiges Werk

200146974

Pflanzen produzieren eine enorme Vielfalt an Substanzen, die keine offensichtliche Funktion bei Wachstums- und Entwicklungsprozessen haben und die deswegen unter dem Stichwort sekundäre Inhaltsstoffe zusammengefasst werden. Wissenschaftler haben lange Zeit vermutet, dass diese Verbindungen Pflanzen vor Räubern und Krankheitserregern schützen, da sie bei in vitro-Versuchen eine giftige und abstoßende Wirkung auf Fraßfeinde und Mikrroorganismen haben. Aktuelle Untersuchungen an Pflanzen, deren Synthese von Sekundärstoffen mit modernen molekularbiologischen Methoden verändert wurde, bestätigen diese Schutzfunktion. Cutin, Suherin und Wachse schützen bereits auf der Pflanzenoberfläche gegen den Angriff durch Pathogene und verringern den Wasserverlust. Es gibt drei Hauptgruppen sekundärer Inhaltsstoffe: Terpene, Phenole und stickstoffhaltige Verbindungen. Terpene, die sich aus C3-Isopreneinheiten zusammensetzen, sind für viele Pflanzenfresser Toxine und Abwehrstoffe. Phenole, die hauptsächlich aus Produkten des Shikimisäureweges gebildet werden, haben mehrere wichtige Funktionen in Pflanzen. Lignin verstärkt die Zellwände mechanisch. Flavonoidpigmente wirken als Schutzschild gegen gefährliche ultraviolette Strahlung und als Lockstoffe für Bestäuber und Verbreiter von Früchten. Schließlich fungieren Lignin, Flavonoide und andere phenolische Verbindungen als Abwehrstoffe gegen Herbivore und Pathogene. Vertreter der dritten Gruppe, die stickstoffhaltigen sekundären Inhaltsstot'to, werden in erster Linie aus gewöhnlichen Aminosäuren synthetisiert. Substanzen wie Alkaloide, cyanogene Glykoside, Glucosinolate, nichtproteinogene Aminosäuren und Protease-Inhibitoren schützen Pflanzen vor einer Vielfalt pflanzenfressender Tiere. Zur Abwehr von Pflanzen gegen pflanzenfressende Insekten gehört die Induktion von unterschiedlichsten sekundären Inhaltsstoffen und verdauungsinhibierenden Proteinen über Signalwege, in denen Jasmonsäure ein Rolle spielt. Induzierte flüchtige Verbindungen dehnen den Schutz aus, indem sie natürliche Feinde der pflanzenfressenden Insekten anlocken und das Signal einer potenziellen Bedrohung auf andere Pflanzen übertragen. Pflanzen haben Abwehrmechanismen gegen mikrobielle Krankheitserreger entwickelt. Neben antimikrobiellen sekundären Inhaltsstoffen, von denen einige konstitutiv vorhanden sind und andere erst bei einer Infektion gebildet werden, gibt es Abwehrmechanismen wie die Bildung von Polymerbarrieren gegen das Eindringen von Pathogenen und die Synthese von Enzymen, die Zellwände der Krankheitserreger auflösen. Außerdem setzen Pflanzen spezifische Erkennungs- und Signalsysteme ein, um eindringende Pathogene schnell zu entdecken und eine effektive Abwehrreaktion auszulösen. Nach einer Infektion können manche Pflanzen eine Immunität gegen weitere mikrobielle Angriffe entwickeln. Seit Millionen von Jahren haben Pflanzen einen Schutz gegen Fraßfeinde und Infektionen entwickelt. Gut verteidigte Pflanzen halten höhere Überlebensraten als schlecht geschützte. Dies führte im Pflanzenreich zu einer weiten Verbreitung der Fähigkeit, effektive Abwehrstoffe zu bilden. Als Reaktion darauf haben viele Arten der Pflanzenfresser und Mikroben die Fähigkeit entwickelt, sich von sekundärstoffhaltigen Pflanzen zu ernähren oder sie zu sekundärstoffhaltigen Pflanzen zu ernähren oder sie zu befallen, ohne einen Schaden davonzutragen. Der Selektionsdruck durch diese Herbivore und Pathogene hat im Gegenzug neue Abwehrstoffe in Pflanzen hervorgebracht. Die Erforschung der sekundären Inhaltsstoffe führte zu vielen praktischen Anwendungen. Wegen ihrer biologischen Wirksamkeit gegen pflanzenfressende Tiere und Mikroben setzt man viele dieser Substanzen kommerziell als Insektizide, Fungizide und Pharmazeutika ein, während andere als Duftstoffe, Aromastoffe, Medikamente und Industriestoffe verwendet werden. Die Züchtung auf erhöhte Mengen an sekundären Inhaltsstoffen in bestimmten Nutzpflanzen ermöglichte es, den Einsatz einiger teurer und potenziell schädlicher Pestizide zu verringern. In einigen Fällen war es jedoch erforderlich, den Gehalt an natürlich vorkommenden Inhaltsstoffen zu reduzieren, um die Giftigkeit für Menschen und Nutztiere zu minimieren.