Molekulare Charakterisierung des Einflusses biotischer und abiotischer Stressfaktoren auf das Metabolom von Kartoffeln (Solanum tuberosum L.)
Authors: Baur Sebastian , Hofmann Thomas 
Published: June 2023

Laut Prognosen wird die Weltbevölkerung von derzeit 7,7 Milliarden Menschen (Stand 2019) bis ins Jahr 2050 auf bis zu 9,7 Milliarden Menschen ansteigen. Diesem Trend entgegen nehmen die Ernteflächen kontinuierlich ab. Damit es nicht zu einer weltweiten Lebensmittelknappheit kommt müssen in Zukunft auf verminderten Ernteflächen höhere Ernteerträge erzielt werden. Dies ist unter anderem nur dann möglich, wenn resistentere Sorten gezüchtet werden, deren Ernteertrag nicht durch biotische oder abiotische Umwelteinflüsse vermindert wird.[1,2]

Mit einem jährlichen Erntevolumen von 370 Millionen Tonnen (2018) gilt die Kartoffel als eine der vier wichtigsten Nutzpflanzen weltweit. Jedoch kommt es aufgrund von biotischen Stressoren, wie dem pathogenen Erreger Phytophthora infestons jährlich zu Ernteverlusten von 16 %.1

Aus diesem Grund lag das erste Ziel der Promotionsarbeit darin, die chemischen Mechanismen der Resistenz gegenüber P. infestons in verschiedenen Kartoffelsorten zu erforschen, um so natürliche Schutzsubstanzen zu identifizieren. Im ersten Schritt des angewandten Phytometabolomics‐Ansatzes wurden infizierte und nicht‐infizierte Kartoffelproben in einer ungerichteten UPLC‐TOF‐MS‐Analyse vergleichend zueinander untersucht. Mit Hilfe statistischer Auswertungen konnten vierzehn hochregulierte Markermetaboliten detektiert werden, die im Anschluss mittels flüssigchromatografischer Techniken isoliert und durch UPLC‐TOF‐MS, LC‐MS/MS und 1/2D‐NMR‐Techniken strukturell charakterisiert wurden. Die identifizierten Metaboliten stammten aus zwei Strukturklassen, einerseits aus der Gruppe der Saponine (neun, darunter fünf steroidale Glykoalkaloide (SGA)) und andererseits aus der Gruppe der Oxylipine (fünf Vertreter). Zwei der SGA sowie vier Saponine wurden hierbei erstmals in der Kartoffelpflanze beschrieben. Für die identifizierten SGA konnte eine hämolytische Aktivität nachgewiesen werden, wohingegen die Saponine keinerlei hämolytische Aktivität besaßen. Des Weiteren konnte für die vier neu identifizierten Saponine eine starke Aktivität gegenüber P. infestons nachgewiesen werden. Zur exakten Bestimmung der Gehalte an Saponinen bzw. Oxylipinen in den untersuchten Proben wurden zwei UPLC‐MS/MS‐Methoden entwickelt. Die vier isolierten, nicht‐toxischen, bioaktiven Saponine können in Zukunft als Züchtungsmarker zur gezielten Generierung von P. infestons resistenten Sorten eingesetzt werden.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde die entwickelte UPLC‐MS/MS‐Methode zur Bestimmung der Saponin‐ und SGA‐Gehalte in einer Vielzahl an Kartoffelsorten (12) angewendet. Zudem wurde die metabolische Reaktion der einzelnen Sorten in Bezug auf den häufig auftretenden, nacherntebedingten, Lichtstress untersucht. Für die Kartoffelsorten konnten hohe sortenspezifische Unterschiede in deren Gesamt‐ SGA‐ (3,0‐17,1 mg/100 g FW) bzw. Gesamt‐Saponingehalten (0,1‐5,4 mg/100 g FW) nachgewiesen werden. Aufgrund der abiotischen Stresseinwirkung kam es im Gesamten zu einem Anstieg der Summe der SGA und Saponine, wobei deren Stärke sowie der Zeitpunkt der Akkumulierung der einzelnen Metaboliten sortenabhängig war. Über den Gesamten Versuchszeitraum überschritt keine der untersuchten Kartoffelsorten den derzeit geltenden toxischen Grenzwertes von 200 mg/kg. Es konnten jedoch bei sieben der zwölf untersuchten Kartoffelsorten, in den gestressten Knollen, SGA‐Gehalte oberhalb des neuerdings diskutierten Grenzwertes von 100 mg/kg nachgewiesen werden.[4]

Die Biosynthese der SGA ist bis heute nicht vollständig geklärt. Aus diesem Grund wurde im dritten Teil der Promotionsarbeit die Biosynthese der zwei majoren SGA, Solanin und Chaconin, mit Hilfe einer 13CO2‐Markierungsstudie in einer intakten Kartoffelpflanze aufgeklärt. Die Kombination aus Markierungsexperiment und HRMS‐ bzw. NMR‐Experimenten ermöglichte es die Biosynthese der zwei SGA ausgehend von frühen Vorstufen, wie Acetyl‐CoA, unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die frühen SGA‐Vorstufen IPP und DMAPP ausschließlich über den Mevalonatbiosyntheseweg gebildet werden. Darüber hinaus wurde erstmals nachgewiesen, dass der Ringschluss des F‐Rings nicht‐stereospezifisch abläuft. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die zwei majoren SGA, Solanin und Chaconin, in der Kartoffel nicht als enantiomerenreine Verbindungen, sondern als Gemisch des 25S/25R‐Epimers vorliegen.

Die Ergebnisse der Metabolomstudien bilden die Grundlage für die gezielte Züchtung neuer Kartoffelsorten mit natürlichen Resistenzen gegenüber pathogenen Erregern. Die neu entwickelte Methode zur Bestimmung der SGA kann zur schnellen Beurteilung der Sicherheit einzelner Kartoffelsorten verwendet werden, beispielsweise im Rahmen von Züchtungsstudien. Die Studie der Biosynthese der SGA mittels eines 13CO2‐Begasungsansatzes kann in der Zukunft dazu verwendet werden, die Biosynthese weiterer Kartoffelmetaboliten zu erforschen.