Abstract:
Monoterpene sind bedeutende Sekundärstoffe, die den Pflanzen eine Art chemische Sprache verleihen, die bis heute nur wenig verstanden wird. Pflanzen sind sessile Organismen und daher auf diese Signale angewiesen, um in ihrer Umwelt zu überleben. Der immense Sekundärstoffwechsel der Pflanzen ermöglicht es ihnen, eine Vielzahl von Signalstoffen zu synthetisieren, um sich mit Konkurrenten auseinanderzusetzen und sich an ihre Umwelt anzupassen. Hintergrund des Projekts ist die Anwendung einer neuen Strategie zur Biokontrolle durch Nachahmung dieser chemischen Sprache zur Entwicklung eines nachhaltigen und spezifischen Bioherbizids auf der Grundlage des natürlichen Effekts der Allelopathie. ... mehrBioherbizide werden aus ökologischer Sicht dringend benötigt, da chemische Herbizide durch ihre geringe Spezifität oft Nicht-Zielorganismen beeinträchtigen, was zur Verringerung der Artenvielfalt, Umweltschäden und zahllosen Krankheiten beim Menschen führt.
Monoterpene gehören zur Sekundärstoffklasse der Terpene und kommen innerhalb der Gattung Mentha vor, deren Arten chemisch vielfältig sind. Daher wurden drei eng verwandte, aber chemisch sehr unterschiedliche Minz-Arten ausgewählt, nämlich die Wasserminze (Mentha aquatica L.), eine Varietät der Grünen Minze (Mentha spicata var. crispa Ridd.) und deren Hybrid die Pfefferminze (Mentha x piperita L.). Anhand dieser Arten soll untersucht werden, wie und warum eine solche chemische Vielfalt innerhalb einer Gattung auftritt, um das erforderliche Grundlagenwissen für die Entwicklung eines Bioherbizids zu schaffen.
In dieser Studie wurde gezeigt, dass der Hybrid Mentha x piperita die Komponenten nicht additiv vererbt hat, sondern ein neues, einzigartiges chemisches Profil entwickelt hat, was die Frage nach dem Wie aufwirft. Um einen Einblick in die Regulierung der Monoterpen-Synthasen zu erhalten, wurden vergleichende Studien zur Genexpression, zu Promotoren und zur Phylogenie zwischen den drei Mentha Arten durchgeführt. Im Allgemeinen hat sich gezeigt, dass Monoterpen-Synthasen transkriptionell reguliert werden, und zwar mit einem zeitlichen Muster, das von Art zu Art unterschiedlich sein kann, was auf Heterochronie schließen lässt. Sie sind in erster Linie in einem frühen Stadium der Blattentwicklung aktiv, aber konkurrierende Enzyme können auch in verschiedenen Stadien der Blattentwicklung innerhalb einer Art exprimiert werden. Das Genexpressionsmuster der Monoterpen-Synthasen korreliert mit dem Metabolitengehalt. Darüber hinaus zeigten Promotoranalysen, dass Monoterpen-Synthasen von abiotischen Faktoren wie Trockenheit, Licht und niedrigen Temperaturen sowie von Phytohormonen wie Methyljasmonat, Salicylsäure, Abscisinsäure und Gibberellinsäure abhängig sind. Die Motive können sich zwischen den Arten und zwischen konkurrierenden Enzymen unterscheiden, was eine spezifische Regulierung der Genexpression von Monoterpen-Synthasen ermöglicht, die zur vielfältigen Chemie einer Art beitragen kann. Am Beispiel einer wichtigen Monoterpen-Synthase, der Menthofuran-Synthase (MFS), konnten eine enge phylogenetische Verwandtschaft, eine ähnliche Aminosäuresequenz und eine nahezu identische Proteinstruktur der MFS von Mentha aquatica und Mentha x piperita aufgeklärt werden. Dies erklärt, warum beide Minzen die Komponente Menthofuran in ihrem ätherischen Öl enthalten, das von MFS produziert wird. Es erklärt jedoch nicht, warum sich der relative Gehalt an Menthofuran in den ätherischen Ölen der beiden Arten um ca. 55 % unterscheidet. Hier müssen weitere Regulationsmechanismen eine Rolle spielen. Die MFS von Mentha spicata var. crispa wies eine entfernte Phylogenie sowie eine leicht veränderte Proteinstruktur auf, was darauf hindeutet, dass die Vielfalt der vielen bekannten Monoterpen-Synthasen auf eine Gendiversifizierung und abstammungsspezifische unabhängige Evolution zurückzuführen ist, was ein weiterer Mechanismus für die Entstehung der chemischen Vielfalt sein könnte.
Darüber hinaus wurde der Frage nachgegangen, warum eine solche chemische Vielfalt für die Pflanze notwendig ist. Es wurde gezeigt, dass Carvon, die Hauptkomponente von Mentha spicata var. crispa, spezifisch die Keimung von Unkräutern wie Kresse oder Mohn hemmt, indem es Mikrotubuli degradiert und Aktinfilamente bündelt, was zum Zelltod und damit auch zu hoher Zytotoxizität in transgenen BY-2 Tabakzellen führt. Diese Reaktion ist dosisabhängig und spezifisch, da die Keimung von Mohn durch Carvon stärker gehemmt wurde als die von Kresse. Zudem löste Menthofuran, der Hauptbestandteil von Mentha aquatica und Mentha x piperita, nicht dieselbe starke und anhaltende Wirkung aus, was darauf hindeutet, dass die verschiedenen Monoterpene unterschiedliche Zielpflanzen haben.
Insgesamt wurden wichtige Erkenntnisse über die Regulierung und die Phylogenie der Monoterpen-Synthasen gewonnen. Zudem wurde Carvon als vielversprechende Komponente identifiziert, die das Potenzial für die Entwicklung eines nachhaltigen, spezifischen Bioherbizids auf der Grundlage des natürlichen Effekts der Allelopathie besitzt.
Abstract (englisch):
Monoterpenes are important secondary compounds that give plants a kind of chemical language that is still poorly understood today. Plants are sessile organisms and therefore depend on these signals to survive in their environment. The immense secondary metabolism of plants enables them to synthesize a variety of signaling substances to deal with competitors and adapt to their environment. The background of the project is to apply a new strategy for biocontrol by mimicking this chemical language for the development of a sustainable and specific bioherbicide based on the natural effect of allelopathy. ... mehrBioherbicides are urgently needed from an ecological perspective because chemical herbicides often affect non-target organisms due to their low specificity, resulting in biodiversity reduction, environmental damage, and countless human diseases.
Monoterpenes belong to the secondary compound class of terpenes and occur within the Mentha genus, whose species are chemically diverse. Therefore, three closely related but chemically very distinct Mentha species were selected, namely watermint (Mentha aquatica L.), a variety of spearmint (Mentha spicata var. crispa Ridd.), and their hybrid peppermint (Mentha x piperita L.). These species will be used to investigate how and why such chemical diversity occurs within a genus in order to provide the basic knowledge required for the development of a bioherbicide.
In this study, it was shown that the hybrid Mentha x piperita has not inherited the compounds in an additive manner but has evolved a new, unique chemical profile, raising the question of how. To gain insight into the regulation of monoterpene synthases, comparative studies of gene expression, promoters, and phylogeny were conducted among the three Mentha species. In general, monoterpene synthases have been shown to be transcriptionally regulated with a temporal pattern that may differ among species, implying heterochrony. They are primarily active at an early leaf developmental stage, but competitive enzymes may also be expressed at different stages of leaf development within a species. The gene expression pattern of the monoterpene synthases correlates with the metabolite level. In addition, promoter analyses showed that monoterpene synthases are dependent on abiotic factors such as drought, light, and low temperatures, as well as on phytohormones such as methyl jasmonate, salicylic acid, abscisic acid, and gibberellic acid. Motifs may differ between species and between competing enzymes, allowing specific regulation of gene expression of the monoterpene synthases, which can contribute to the diverse chemistry of a species. Using the example of a key monoterpene synthase called menthofuran synthase (MFS), a close phylogenetic relationship, a similar amino acid sequence, and a nearly identical protein structure of the MFS of Mentha aquatica and Mentha x piperita could be elucidated. This explains why both mints contain the compound menthofuran in their essential oil, which is produced by MFS. However, it does not explain why the relative content of menthofuran differs by about 55 % in the essential oils of the two species. Further regulatory mechanisms must play a role here. The MFS of Mentha spicata var. crispa exhibited distant phylogeny as well as slightly altered protein structure, suggesting that the diversity of the many known monoterpene synthases results from gene diversification and lineage-specific independent evolution, which may be another mechanism for establishing chemical diversity.
In addition, the question of why such a chemical diversity is necessary for the plant was explored. It was shown that carvone, the main compound of Mentha spicata var. crispa, specifically inhibits the germination of weeds such as cress or poppy by degrading microtubules as well as bundling actin filaments, leading to cell death and consequently high cytotoxicity in BY-2 transgenic tobacco cells. This response is dose-dependent and specific, as the germination of poppy was more strongly inhibited by carvone than that of cress. Moreover, menthofuran, the main compound of Mentha aquatica and Mentha x piperita, did not elicit the same strong and persistent effect, indicating that the various monoterpenes have different target plants.
Taken together, important insights into the regulation and phylogeny of monoterpene synthases were provided. In addition, carvone was identified as a promising compound showing potential for the development of a sustainable, specific bioherbicide based on the natural effect of allelopathy.
