Hobbygärtner:innen hatten es längst beobachtet: Wenn sie mit dem Herbizid Glyphosat unerwünschtes Grün bekämpfen, überstanden gerade die zarten Moospflänzchen diesen Einsatz. Warum das so ist, haben Samuel Caygill und Liam Dolan vom GMI – Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaft (ÖAW) auf molekulargenetischer Ebene geklärt. Sie haben bei Moosen die Glyphosat unempfindliche Enzymvariante MurA identifiziert, die den Syntheseweg für lebenswichtige aromatische Aminosäuren am Laufen hält. Die Aufgabe von MurA wird in den meisten anderen Pflanzen vom Enzym EPSP-Synthase erledigt, das von Glyphosat an seiner katalytischen Tätigkeit gehindert wird. Die GMI-Studie wurde nun im Fachmagazin PNAS veröffentlicht.

Glyphosat ist ein weitverbreitetes aber sehr kontrovers diskutiertes Herbizid. Es wird beispielweise verwendet, um ein möglichst unkrautfreies Saatbeet herzustellen. Zudem wird es in vielen Ländern zusammen mit transgenen herbizidresistenten Kulturpflanzen eingesetzt, um aufwachsendes Unkraut abzutöten. Der übermäßige Gebrauch hat aber mittlerweile auch zu Glyphosat resistentem Unkraut geführt, das in vielen Teilen der Erde Ernteerträge reduziert. Für die Ernährungssicherheit einer wachsenden Weltbevölkerung ist es daher wichtig, die Wirkungsweise des Gifts im Detail wie auch im großen Zusammenhang zu verstehen. Einen wichtigen Schritt zu diesem Verständnis haben nur Samuel Caygill und Liam Dolan am GMI mit ihren Experimenten an Lebermoosen gemacht. Caygill ist Doktorand an der Universität Oxford und Forscher am GMI, Liam Dolan ist Senior Group Leader und stellvertretender wissenschaftlicher Direktor am GMI.

Natürliche Glyphosat-Toleranz nachgewiesen

Ausgehend von den beiden Tatsachen, dass die Giftigkeit von Glyphosat bei den meisten Pflanzen an der EPSP-Synthase ansetzt und sich Moose aber von Glyphosat nicht stören ließen, setzten die Forscher Künstliche Intelligenz ein, um herauszufinden, wie die Wirkung auf die EPSP-Synthase in den Moosen umgangen wird. So fanden sie das entsprechende Enzym "MurA", das in Moosen die Aufgaben der EPSP-Synthase übernimmt. Dadurch können die unscheinbaren Gewächse selbst bei Hemmung der EPSP-Synthase weiterhin den Reaktionsweg zu den Aminosäuren, die ein Kohlenstroffringsystem enthalten, katalysieren.

Glyphosat-Toleranz experimentell ausgelöst

Um zu testen, dass tatsächlich MurA für die Glyphosat-Toleranz verantwortlich ist, entwarfen die beiden Forscher mehrer experimentelle Ansätze, die letztlich die Bedeutung von MurA unterstrichen. Sie experimentierten einerseits mit geringerer und höherer MurA-Expression in Moosen und bauten darüber hinaus MurA in natürlicherweise glyphosatempfindlicher Arabidopsis thaliana ein. 

Neue Einsichten in die Biosynthese von Aminosäuren

Nachdem eindeutig geklärt war, dass MurA für die Glyphosat-Toleranz von Moospflanzen verantwortlich ist, arbeitete das GMI-Team mit Thomas Köcher, einem Kollegen der Vienna Biocenter Core Facilty zusammen, um zu verstehen, warum MurA die Glyphosat-Toleranz hervorruft. Mithilfe hochempfindlicher Massenspektrometrie konnte gezeigt werden, dass sowohl MurA als auch die EPSP-Synthase die Substanz EPSP als Vorstufe der aromatischen Aminosäuren katalysieren. Aus diesem Grund kann MurA die Aminosäuren- und Proteinsynthese in Moosen aufrechterhalten, auch wenn Glyphosat die EPSP-Synthase hemmt.

Es ist nicht alltäglich, einen bisher unbekannten Vorgang in der Biosynthese von Aminosäuren zu entdecken.

Diese Entdeckung war unerwartet, da man bisher annahm, dass nur die EPSP-Synthase das wichtige Zwischenprodukt EPSP produziert. "Es ist eine Sache, einen in der Natur vorkommenden Mechanismus zu beschreiben, der die Resistenz einiger Pflanzen gegenüber Glyphosat erklärt. Eine andere ist es, einen bisher unbekannten Vorgang in der Biosynthese von Aminosäuren zu entdecken“, unterstreicht Liam Dolan die Bedeutung der Entdeckung. Letztere beweise zudem, dass traditionell wenig untersuchte Organismen wie Lebermoose den Schlüssel zum Verständnis grundlegender Fragen der Biologie liefern können. "Die Entdeckung von Sam Caygill und Thomas Köcher zeigt, wie wichtig es ist, eine Vielfalt von Organismen in unsere Forschungsprogramme einzubeziehen", so Dolan. Darüber hinaus legt diese Entdeckung eine Grundlage für das Verständnis von Herbizidresistenzen, die in manchen Regionen der Erde die Ernährungssicherheit gefährden.