ABC-Transporter – Pflanzen greifen aktiv in ihre Umgebung ein

ABC-Transporter helfen Pflanzen mit ihrer Umwelt zu interagieren. ABC-Transporter sind Membranproteine, die aus vier Bausteinen bestehen: zwei Transmembrandomänen(TMD), die einen Tunnel durch die Membran bilden und zwei Nukleotidbindedomänen (NBD), welche ATP spalten. Bei der Spaltung wird Energie frei, die den Transport verschiedenster Substanzen durch die Membran antreibt. Die Pflanze ist so in der Lage, Substanzen zu exportieren, die sie zum Beispiel vor parasitären Mikroorganismen oder Insekten schützen. Auch vor giftigen Substanzen im Boden kann die Pflanze sich so schützen. Es kann aber auch wiederum das Wachstum positiver Mikroorganismen gefördert werden, welche die Pflanze dann zum Beispiel mit Nähstoffen versorgen.

Pflanzen im Netzwerk ihrer Umwelt

Gegenüber anderen Lebensformen haben Pflanzen einen entscheidenden Nachteil: Sie können sich nicht fortbewegen. Dadurch sind sie immer den Umwelteinflüssen des Standorts ausgesetzt, an dem sie sich befinden. Das können ganz allgemein Trockenheit, durch Chemikalien oder Schwermetallen belastete Böden, parasitäre Mikroorganismen, oder schädliche Insekten sein, nur um einige Beispiele zu nennen. Aber was können Pflanzen dagegen tun?
Zum Beispiel haben Pflanzen ein sehr großes Spektrum an Stoffwechselprodukten. Sie bilden Substanzen zur Verteidigung gegen Schädlinge und Krankheitserreger, aber auch um positive Mikroorganismen zu fördern, welche die Pflanze dann mit Nährstoffen versorgen, so dass sie besser wachsen kann.

ABC-Transporter – Pflanzen greifen aktiv in ihre Umgebung ein

Aber wie bringen die Pflanzen diese Substanzen in die Umwelt ein?
Jede Zelle ist von einer Membran umgeben. Diese bildet eine natürliche Barriere und grenzt das Zellinnere von der Umgebung ab. Das Problem: Die Membran ist nur bedingt durchlässig und die meisten Substanzen gelangen nicht ohne weiteres auf die andere Seite der Membran. Stoffwechselprodukte, welche die Pflanze z.B. zur Verteidigung ausscheiden möchte, müssen die Membran irgendwie passieren.
Eingebettet in der Membran liegen unterschiedliche Proteine mit ganz unterschiedlichen Aufgaben: unter anderem auch die ABC-Transporter (engl. ATP binding cassette). Sie transportieren Substanzen aus der Zelle heraus. In Pflanzen gibt es über 100 ABC-Transporter und jeder transportiert unterschiedliche Substanzen.

Aber was genau sind ABC-Transporter?

Es handelt sich um Pumpen, die aktiv unter Energieverbrauch arbeiten.
Ein ABC-Transporter besteht aus vier Bausteinen: je zwei TMDs (Transmembrandomänen) und zwei NBDs (Nukleotidbindedomänen). Die TMDs bilden einen Tunnel durch die Membran, durch den die Substrate die Membran passieren können. Sie sind sehr selektiv und lassen nur bestimmte Substanzen hindurch. Folglich sind sie in jedem ABC-Transporter unterschiedlich. Die NBDs sind der Motor, welcher den Transport antreibt. Sie sind in allen ABC-Transportern sehr ähnlich. Die für den Transport benötigte Energie wird durch ATP (Adenosintriphosphat) bereitgestellt. ATP wird zu ADP (Adenosindiphosphat) und einem Phosphatrest gespalten. Dabei wird Energie frei, die für den Transport genutzt werden kann. Wenn die NBDs der Motor sind, ist ATP der Kraftstoff.

In vitro – ein Transportprozess im Reagenzglas

Um die Interaktion von Pflanzen mit ihrer Umwelt besser verstehen zu können, ist es wichtig zu wissen, welche Substanzen die Pflanze transportiert. Für viele ABC-Transporter sind die genauen Substrate bis heute unklar. Oft hat man nur eine Vermutung, an welchen Prozessen die Transporter beteiligt sind. Aber wie kann man herausfinden, was ein Transporter transportiert?
Ein Problem hierbei ist, dass die Pflanze ein komplexer Organismus ist, bei dem viele Prozesse eng miteinander verbunden sind. Viele andere Effekte könnten die Beobachtungen und Ergebnisse daher überlagern. Deshalb wollen wir die Transporter in einer künstlichen Umgebung untersuchen – frei von Störfaktoren.
Dazu entschlüsseln wir die DNA der Transporter aus der Pflanze, die uns interessieren, und produzieren die Transportproteine außerhalb der Pflanze. Dann können wir den Transportprozess in vitro – also außerhalb des Organismus – nachstellen. Wir hoffen so zu erfahren, was transportiert wird und unter welchen Umständen.

Dieses Wissen kombinieren wir mit anderen Forschungsgruppen in CEPLAS, die sich wiederum mit der schrittweisen Herstellung dieser Substanzen innerhalb der Pflanze beschäftigen. Gemeinsam werden wir zukünftig in der Lage sein, die Rolle der Pflanze in ihrer Umwelt besser zu verstehen. Die gewonnen Informationen können dann zukünftig auf andere Pflanzen übertragen werden, die an ihrem Standort nachteiligen Bedingungen ausgesetzt sind.

Beitrag von Katharina Gräfe, Institut für Biochemie I, HHU

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Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Ausgewählte Publikationen

Ernst R, Kueppers P, Stindt J, Kuchler K, Schmitt L (2010) Multidrug efflux pumps: substrate selection in ATP-binding cassette multidrug efflux pumps—first come, first served? FEBS J 277(3):540-549. [Abstract]

Rea PA (2007) Plant ATP-binding cassette transporters. Annual review of plant biology 58:347-375. [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich