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Wie kommt der Zucker in die Rübe?

09.01.2015 - (idw) Technische Universität Kaiserslautern

Durch Anbau der Zuckerrübe Beta vulgaris wird ein großer Teil der Weltzuckerproduktion gedeckt. Obwohl schon seit dem späten achtzehnten Jahrhundert Rüben auf hohen Zuckergehalt hin gezüchtet wurden, war bis dato unklar, welche molekularen Prinzipien der Zuckerspeicherung zu Grunde liegen. Dieser Frage ging jetzt ein Team von Wissenschaftlern der Universitäten Kaiserslautern, Köln, Erlangen, und Würzburg nach. Über ihre Entdeckung berichtet die renommierte wissenschaftliche Zeitschrift NATURE Plants.

Vom Blatt in die Rübe
Befeuert durch die Energie des Sonnenlichts produzieren die grünen Blätter aus dem Kohlendioxid der Luft und Wasser aus dem Boden den Zucker Saccharose. Mit diesem süßen Stoffwechselprodukt leistet die Pflanze Arbeit, wächst und süßt Früchte oder legt eine Energiereserve im Wurzelkörper an. Den Europäern ist es gelungen, aus der ursprünglich als Blattgemüse genutzten Rübenpflanze eine wahre Zuckerfabrik zu züchten. Bei unseren Hochleistungszuckerrüben kommen auf 10 kg Rübe bis zu 2,3 kg Zucker.

Bundesministerium BMBF fördert das Projekt
Obwohl die Zuckerrübe als Wirtschaftsfaktor im ländlichen Raum nicht mehr wegzudenken ist, blieb bisher weitgehend unverstanden, wie genau die Speicherrübe diese enormen Zuckerkonzentrationen anhäuft, das heißt wie der Zucker seinen Weg in den Saftspeicher, die Vakuole, der Rübenzellen findet. Die Klärung der offenen Fragen im Hinblick auf Ertragssteigerung fördert das Bundesministerium in einem dreijährigen Forschungsprojekt.

Im Expertenteam zum Ziel
Wie konnte das Forscherteam aus vier Universitäten, bei der für die Technische Universität Kaiserslautern Prof. Dr. Ekkehard Neuhaus und Dr. Benjamin Jung aus dem Fachbereich Biologie verantwortlich zeichnen, und der Firmen KWS Saat AG und Südzucker AG die Aufgabe lösen? Zunächst wurde das Entwicklungsstadium bestimmt, bei dem die Rübe auf Zuckerspeicherung schaltet. Mit Unterstützung der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Schroda (Molekulare Biotechnologie und Systembiologie) von der TU Kaiserslautern erfolgte die Ermittlung der Proteine, welche in der Zucker-Speicherphase vermehrt gebildet werden. Mit Hilfe von Genom-Datenbanken wurden die Gene bestimmt, die als potentielle Zuckertransporter in Frage kamen, aus denen wir letztendlich das Transportprotein TST2.1 als dasjenige beschreiben konnten, welches den Einstrom von Saccharose in die Speichervakuolen der Zuckerrüben treibt. Die dazu notwendige Energie wird durch die Erstellung und Aufrechterhaltung eines Protonengradienten über die vakuoläre Membran aufgebracht; der Einstrom des Zuckers in die Vakuole wird dabei an den Ausstrom von Protonen aus dem Speicherorganell gekoppelt. Dadurch kann der Zucker bis zu hundertfach in der Vakuole akkumulieren und Spitzenkonzentrationen von 23 Prozent erreichen.

Wie soll es weitergehen?
Um die Züchtung von Zuckerrüben im Hinblick auf die Zuckerspeicherung weiter zu optimieren, muss der Transporter TST2.1 erst einmal in der Zuckerrübe selbst auf den Prüfstand. Im Labor werden daher derzeit Zuckerrüben mit unterschiedlicher Anzahl dieses Transporters hergestellt und die entsprechenden Auswirkungen auf den Zuckergehalt der Rübe verfolgt. Findet man das vermutete Prinzip bestätigt, kann man Rüben gezielt auf einen erhöhten Transporter-Gehalt hin züchten.
Das besonders erfreuliche ist laut Professor Neuhaus, dass wir erstens ein lange gesuchtes Transportprotein mit essentieller Funktion für die Zuckerproduktion gefunden haben, dass wir zweitens diese Befunde in einer der weltweit führenden Fachzeitschrift publizieren konnten und dass drittens aus diesen Erkenntnissen bereits ein Patent entstanden ist, das den Bogen zur Anwendung unserer Grundlagenforschung schlagen wird.


B. Jung et al. (2015) Identification of the transporter responsible for sucrose accumulation in sugar beet taproots. NATURE Plants 1, doi:10.1038/nplants.2014.1

Kontakt:
Prof. Dr. Ekkehard Neuhaus, Tel.: 0631/205-2372, E-Mail: neuhaus@rhrk.uni-kl.de Weitere Informationen:http://www.uni-kl.de
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