title: Mikronährstoffprofile der Gerste (Hordeum vulgare L.): eine Analyse der natürlichen Variation, der räumlichen Verteilung und der Beladungsmechanismen
Creators: name: Detterbeck, Amelie Sophie
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2019
Subjects: subject: Pflanzenphysiologie
subject: Mikronährstoff
subject: Zink
subject: Eisen
subject: Gerste
subject: Hordeum vulgare
subject: natürliche Variation
subject: Pflanzenzüchtung
subject: Samen
subject: 570

description: Mikronährstoffmangel, auch bekannt als verborgener Hunger, betrifft schätzungsweise ein Drittel der Weltbevölkerung. In besonderem Maße sind Kinder unter fünf Jahren betroffen, die durch den Mangel an lebenswichtigen Mikronährstoffen wie Zink an systemischen Beeinträchtigungen wie Wachstumsverzögerungen, Dysfunktionen des Immunsystems und kognitiven Störungen leiden. Da Grundnahrungsmittel wie Getreide einen maßgeblichen Anteil zur Mikronährstoffaufnahme insbesondere in Ländern des globalen Südens beitragen, können sowohl ackerbauliche Maßnahmen als auch die Prozessierung von Lebensmitteln Lösungsansätze liefern. Diese sind jedoch häufig kostenintensiv, weshalb die Biofortifikation von Nahrungsmitteln eine nachhaltigere Reduktion von Mikronährstoffmangel erreichen kann. Hierbei ist von Bedeutung, dass für eine erfolgreiche Biofortifikation aus züchterischer Sicht diverse Prädispositionen, wie eine genetisch verankerte Variation der Mikronährstoff-Gehalte und die mechanistische Kenntnis der Mikronährstoff-Akkumulation, vorhanden sein müssen. Ziel dieser Doktorarbeit war es daher, anhand der ackerbaulichen Modellpflanze Gerste (Hordeum vulgare L.) grundlegende Fragestellungen zur Verwirklichung von Biofortifikationsstrategien zu beantworten. Hierbei lagen die Schwerpunkte auf drei verschiedenen Themenblöcken: der natürlichen Variation von Mikronährstoffen, der räumlichen Verteilung innerhalb des Korns und den zugrundeliegenden Beladungs- und Distributionsmechanismen. Zunächst wurde das Züchtungspotential, das maßgeblich von der vorhandenen genetischen Variabilität bestimmt wird, für mikronährstoffreiche Körner ermittelt. Dementsprechend wurde die natürliche Diversität der Mikronährstoff-Akkumulation in zwei weltweit gesammelten Gerstekollektionen in verschiedenen Jahren und Umwelten untersucht. Die Analysen ergaben eine ausgeprägte genetische Komponente der Mikronährstoff-Akkumulation insbesondere für Zink und Eisen. Hieraus lässt sich schlussfolgern, dass eine Züchtungsbasis für mikronährstoffreichere Getreide vorhanden ist. Neben der Analyse von Genotyp-Umwelt-Interaktionen lag ein weiteres Augenmerk auf der Variation von für den Menschen toxischen Schwermetallen wie Cadmium. Die Ergebnisse ließen auf ähnliche Transport- und Beladungsmechanismen von Zink und Cadmium schließen, da eine hohe Zink-Akkumulation häufig mit einer höheren Cadmium-Akkumulation im Korn einherging. Aus diesem Grund stellt eine Kulturführung im Rahmen einer guten landwirtschaftlichen Praxis, mit genauer Kenntnis der bewirtschafteten Böden, eine grundlegende Voraussetzung im Anbau von biofortifiziertem Getreide dar. Der zweite Block umfasste die Frage der detaillierten räumlichen Verteilung der Mikronährstoffe im Korn. Dies ist in besonderem Maße für etwaige Verzehrempfehlungen für biofortifiziertes Getreide von Bedeutung. Um Einblick in die räumliche Verteilung der Mikroelement-Gehalte zu erlangen, wurden reife Samen von ausgewählten, kontrastierenden Linien zerlegt und mit Hilfe verschiedener qualitativer und quantitativer Verfahren charakterisiert. Hoch Zink-akkumulierende Linien wiesen in nahezu allen analysierten Geweben, inklusive dem Endosperm, höhere Zink-Konzentrationen auf. Hieraus kann man schließen, dass auch der Konsum von biofortifiziertem weißem Mehl einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Mikronährstoffaufnahme leisten kann. Um Hinweise auf verschiedene Bindungsumgebungen im Endosperm-Gewebe zu erhalten und eine potentielle Aussage über die Bioverfügbarkeit von Zink in hoch Zink-akkumulierenden Linien treffen zu können, wurden Proben extrahiert und mittels chromatographischer und massenspektrometrischer Methoden vermessen. Hierbei konnte dokumentiert werden, dass lösliches Zink nicht mit Phosphor oder Schwefel co-eluierte. Dies deutet darauf hin, dass andere Bindungspartner als Proteine oder Phytat in die Zink-Bindung involviert sein könnten. Da der Anteil des löslichen Zinks jedoch mit zunehmender Reife deutlich abnahm, müssen weiterführende Analysen die Speziierung von unlöslich gebundenem Zink charakterisieren. Die molekularen Mechanismen der Mikronährstoff-Akkumulation waren Hauptbestandteil des dritten Arbeitsschwerpunktes dieser Dissertation. Für moderne, biotechnologische Züchtungsmethoden ist ein mechanistisches Verständnis der Aufnahme- und Verteilungswege von Mikronährstoffen von zentraler Bedeutung. Hierbei kann beispielsweise die Entwicklung molekularer Marker zur Beschleunigung des Züchtungsprozesses beitragen. Für die Suche nach Kandidatengenen wurden zwei niedrig und zwei hoch Zink-akkumulierende Linien ausgewählt, um Marker-Merkmals-Assoziationen und Transkriptom-Unterschiede zu analysieren. Hierbei konnten mit Hilfe einer genomweiten Assoziationsstudie erhöhte Zink-Konzentrationen im Korn mit einem Marker assoziiert werden, in dessen Nähe zwei Gene der „Yellow Stripe-Like“ (YSL)-Transporterfamilie liegen. Des Weiteren wurden unter den stringenten Analysebedingungen weder Unterschiede in der Transkript-Häufigkeit von bekannten Transportgenen noch von Genen, die Zink-Bindungspartner wie Nicotianamin oder Metallothioneinen codieren, als Faktoren für die erhöhte Zink-Akkumulation identifiziert. In den Ähren von hoch Zink-akkumulierenden Linien war insbesondere eine putative α-Amylase/Trypsin CMb Inhibitor Vorstufe höher exprimiert als in niedrig Zink-akkumulierenden Linien. Bei einem weniger stringenten Vergleich näher verwandter Linien konnte ein Kandidatengen für die Zink-Akkumulation im Korn identifiziert werden, das Ähnlichkeit zu einem „Metal Tolerance Protein 5“ (MTP5) in Gerste aufweist. Weiterer Forschungsbedarf ergibt sich insbesondere aus der Notwendigkeit zur zellulären Lokalisation und zur näheren funktionellen Beschreibung der Kandidatengene. Darüber hinaus stellt die hohe Zahl bisher noch nicht näher charakterisierter Gene, die Unterschiede in der Transkript-Häufigkeit zeigten, Grund für weitere Forschungen in diesem Bereich dar. Die in dieser Doktorarbeit bearbeiteten Fragestellungen und Ergebnisse geben einen detaillierten und umfassenden Überblick der Mikronährstoff-Akkumulation in Gerstekörnern wieder. Hierbei wurden insbesondere die natürliche Diversität, die räumliche Verteilung und die zugrundeliegenden Beladungsmechanismen erforscht und diskutiert. Außerdem konnten bisher ungeklärte Fragen zur Konzentration und Speziierung von Zink während der Entwicklung und zu Transkript-Unterschieden in unterschiedlich hoch Zink-akkumulierenden Gerstelinien beantwortet werden. Weiterer Forschungsbedarf besteht jedoch zur Aufklärung der Hauptbindungsformen von unlöslichem Zink im Endosperm und zur weiterführenden Charakterisierung von Kandidatengenen. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse dieser Doktorarbeit eine wichtige Grundlage insbesondere für Fragen der genetischen Prädisposition der Mikronährstoff-Akkumulation und ebnen somit den Weg für eine züchterische Herangehensweise bei der Bekämpfung von verstecktem Hunger.