Herbstlich verfärbtes Blatt einer Weinrebe.

Das Geheim­nis des golde­nen Herbstes

Innsbrucker Chemiker um Bernhard Kräutler und Thomas Müller wollen ihr Wissen rund um den Abbau des grünen Pflanzenfarbstoffes Chlorophyll nutzen, um einen neuen Weg zu finden, Krankheiten bei Nutzpflanzen frühzeitig zu erkennen.

Das Farbenspiel der Blätter im Herbst ist ein Naturschauspiel, das die Menschen schon immer fasziniert hat. Es ist ein Phänomen, das beispielsweise mit Hilfe von Satellitenbildern auch aus dem Weltall sichtbar ist. Verantwortlich für dieses alljährlich wiederkehrende Naturschauspiel ist der Abbau von Chlorophyll, dem grünen Pigment in Pflanzen. Ein biologisch wichtiger Grund für den Chlorophyll-Abbau ist eine Art ‚Entgiftungsprozess’. „Chlorophyll wirkt im alternden Blatt phototoxisch und muss deshalb abgebaut werden“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Bernhard Kräutler vom Institut für Organische Chemie. Jährlich werden auf der Erde schätzungsweise 1000 Millionen Tonnen Chlorophyll biologisch erzeugt und wieder abgebaut. Noch vor etwa 30 Jahren schien Chlorophyll im Herbst spurlos zu verschwinden. Um 1990 gelang es dem Chemiker Kräutler zusammen mit dem Züricher Botaniker Philippe Matile ein farbloses, mutmaßliches Abbauprodukt des Chlorophylls aus Gerstenblättern zu isolieren und dieses tatsächlich als ersten Chlorophyll-Kataboliten aus Pflanzen eindeutig zu identifizieren, sowie seine Struktur zu bestimmen.

Farblos, instabil und kompliziert

Auch wenn die Abbauprodukte von Chlorophyll heute im Wesentlichen bekannt sind, sind sie noch immer ein Forschungsgegenstand mit wichtigen offenen Fragen. „Die Verbindungen sind farblos, nicht sehr stabil und haben eine komplizierte Struktur, weswegen sie nicht leicht handhabbar sind“, sagt Bernhard Kräutler. „Natürlich haben uns aber unsere eigenen Erfahrungen und Weiterentwicklungen im Bereich der Analytik geholfen, Vieles über diese Verbindungen zu lernen.“ So konnten Arbeiten aus Innsbruck zum Beispiel zeigen, dass beim Reifungsprozess von Früchten ebenfalls Chlorophyll-Katabolite gebildet werden. „Meist tritt beim Reifen von Äpfeln, Birnen und Pflaumen der Chlorophyll-Abbau ja auch gut sichtbar auf. Da Früchte bekömmliche Bestandteile menschlicher Nahrung und Chlorophyll-Katabolite neuartige, wirksame Antioxidantien sind, gehen wir auch der Frage der gut möglichen gesundheitsfördernden Wirkung von Chlorophyll-Kataboliten nach“, so Kräutler.

Früherkennung

In neuen Projekten wollen Bernhard Kräutler und Thomas Müller, assoziierter Professor am Institut für Organische Chemie, ihr Wissen zum Chlorophyll-Abbau in einem anwendungsorientierten Bereich einsetzen: „Nutzpflanzen wie Obstbäume oder Weinreben verfärben ihre Blätter nicht nur im Herbst, sondern auch frühzeitig bei Infektion mit mikrobiellen Schädlingen – also, wenn sie ‚krank‘ sind“, erklären die Chemiker. In einem Forschungsprojekt mit dem Südtiroler Forschungszentrum Laimburg untersuchen die Wissenschaftler, ob bestimmte Abbauprodukte des Chlorophylls in noch voll grünen Blättern der kranken Nutzpflanze einen Pathogen-Befall anzeigen können. Dazu werden Blätter von Nutzpflanzen, die durch molekularbiologische Methoden als infiziert erkannt sind, auf einen Infektions-bedingten Chlorophyll-Abbau hin untersucht. „Ein Ziel wäre es, den Infektions-bedingten Chlorophyll-Abbau im noch grünen Blatt nachweisen zu können, um die Obstbauern möglichst frühzeitig zu warnen“, erklärt Thomas Müller. „Bisher wurde ein Pathogen-Befall durch molekularbiologische Methoden nachgewiesen, die sehr aufwändig und kostenintensiv sind und eine entsprechende Laborausgestattung erfordern“, beschreibt Müller. „Hier wäre eine einfache und massenspektrometrische Methode klar im Vorteil, die charakteristische Biomarker der Infektion nachweisen ließe, wie es die Chlorophyll-Abbau-Produkte sind.“ Die Massenspektrometrie ist ein hochempfindliches Verfahren, das präzise Rückschlüsse auf die elementare Zusammensetzung und Struktur von chemischen Verbindungen ermöglicht. Sollte sich das frühe Auftreten von spezifischen Chlorophyll-Kataboliten in grünen Blättern erkrankter Pflanzen mittels Massenspektrometrie nachweisen lassen, könnte dies den Obstbauern in Tirol und Südtirol bei der frühzeitigen Schädlingsbekämpfung sehr helfen. „Dabei würden uns auch aktuelle gerätetechnische Fortschritte in die Hände spielen. In den USA sind bereits Prototypen von sehr kleinen, handlichen Massenspektrometern in der Testphase – es wird damit vielleicht in näherer Zukunft möglich, dass die Obstbauern die Schädlinge selbst detektieren könnten“, so Müller. Auch wenn sich bei Obstbäumen bis jetzt noch keine signifikanten Unterschiede zwischen kranken und gesunden alternden Blättern gezeigt haben, waren erste Untersuchungen bei Weinreben vielversprechend. „Wir sind mit unserem Wissen zum Chlorophyll-Abbau und der Entwicklung passender Messverfahren auf einem guten Weg“, so die Innsbrucker Wissenschaftler.

Dieser Artikel ist in der neuen Oktober-Ausgabe des Magazins „wissenswert“ erschienen. Eine digitale Version ist hier zu finden (PDF).


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