Pflanzenhemmer fordern die Verdauung von Insekten heraus

Forscher untersuchen das Potenzial pflanzlicher α-Amylase-Inhibitoren für die biotechnologische Schädlingsbekämpfung. Diese in Samen und Pflanzengewebe vorkommenden Proteine ​​stören die Stärkeverdauung von Insekten und verringern so deren Nahrungsaufnahme und Entwicklung. Eine Studie eines internationalen Konsortiums unter der Leitung von Embrapa detailliert die molekularen Mechanismen dieser Verbindungen und identifizierte ihre potenziellen Anwendungen.

Phytophage Insekten nutzen α-Amylase-Enzyme zum Abbau von Stärke und Glykogen in Pflanzen. Diese Enzyme gehören zur GH13-Familie und wirken im Mitteldarm oder Vorderdarm sowie in manchen Fällen auch im Speichel.

Die Aktivität der Alpha-Amylase variiert je nach pH-Wert und Lebensstadium des Insekts. In vielen Fällen spiegelt die Anzahl der Gene, die das Enzym kodieren, Ernährungsanpassungen und die Koevolution mit Wirtspflanzen wider.

Schädlingsbefall durch Rüsselkäfer, Bohrer und Stinkwanzen führt zu erheblichen Verlusten an Getreide und Saatgut. Pflanzliche Alpha-Amylase-Hemmer wirken, indem sie diese Enzyme blockieren. Die Interaktion erfolgt hauptsächlich über Ionen- und Wasserstoffbrücken und wirkt sich direkt auf die katalytische Stelle des Enzyms oder die stärkebindenden Substellen aus.

Klassen von Pflanzeninhibitoren

Die Studie klassifizierte die Inhibitoren anhand ihrer dreidimensionalen Struktur und Funktion in sieben Familien:

• Knottine (ICK): kleine, extrem stabile Proteine. Beispiel: AAI aus Amaranth.

• Gamma-Thionine: Pflanzendefensine mit starker antienzymatischer Aktivität und Toxizität gegen Insekten.

• CM-Proteine: häufige Inhibitoren in Getreide, bilden stabile Strukturen mit mehreren Disulfidbrücken.

• Kunitz-Typ: bifunktionelle Proteine, die Alpha-Amylasen und Proteasen bei Säugetieren und Insekten hemmen.

• Thaumatin-ähnlich: Inhibitoren mit antimykotischer und entomotoxischer Aktivität, wie z. B. Zeamatin aus Mais.

• Lektinähnlich: Inhibitoren wie AlphaAI-1 aus der Gartenbohne, die Enzyme durch Nachahmung des Substrats blockieren.

• Actinobacteria (Streptomyces): Obwohl sie keine Pflanzen sind, produzieren sie ähnliche Verbindungen, die möglicherweise in der Biotechnologie Anwendung finden.

Molekulare Interaktion

Die Wirksamkeit von Inhibitoren hängt von der strukturellen Kompatibilität zwischen dem Pflanzenprotein und dem Insektenenzym ab.

Kleine Variationen in den bindenden Aminosäuren, den Strukturschleifen und dem Glykosylierungsgrad bestimmen die Stärke der Hemmung. Der Inhibitor alphaAI-1 blockiert beispielsweise effizient alpha-Amylasen von Callosobruchus chinensis e C. maculatus, hat aber keinen Einfluss Zabrotes subfasciatus. AlphaAI-2 hemmt die letztere Spezies, hat jedoch eine geringe Wirksamkeit gegen die erstere.

Darüber hinaus beeinflussen Faktoren wie pH-Wert, Temperatur, relative Konzentration zwischen Enzym und Inhibitor sowie Einwirkungsdauer die Stabilität und Effizienz des gebildeten Komplexes.

Anwendungen in Pflanzen

Gene, die diese Proteine ​​kodieren, werden in gentechnisch veränderten Pflanzen getestet. Versuche mit Bohnen und Erbsen zeigten eine deutliche Erhöhung der Schädlingsresistenz. In einigen Fällen kam es bereits in frühen Entwicklungsstadien zum Larvensterben.

Die Forscher weisen auf die Wichtigkeit einer korrekten Genauswahl hin, die den Zielschädling, die Proteinstabilität und die Möglichkeit einer Koevolution berücksichtigt. Sie betonen außerdem, dass antinutritive Effekte auf Mensch und Tier, die bei manchen Inhibitoren häufig auftreten, vermieden werden müssen.

Evolutionäre Erhaltung

Phylogenetische Analysen zeigten, dass funktionelle Domänen innerhalb jeder Inhibitorfamilie hoch konserviert sind. Dies deutet auf einen starken Selektionsdruck für die Wirksamkeit der Schädlingsbekämpfung hin. Trotz dieser Konservierung weisen die Inhibitoren unterschiedliche Spezifitäten auf, was eine gezielte Anwendung je nach Kulturpflanze und Insekt ermöglicht.

Die Modellierung mit AlphaFold2 zeigt eine starke strukturelle Ähnlichkeit zwischen pflanzlichen Inhibitoren und ihren Enzymzielen. Diese Darstellungen helfen bei der Vorhersage von Wechselwirkungen und leiten die Entwicklung neuer, effektiverer Proteine.

Weitere Informationen unter doi.org/10.1002/biot.70098