Struktur und Biosynthese von Sporopollenin

Der Pollen ist der Träger der männlichen Erbanlagen und ist damit eine Schlüsselstruktur im Fortpflanzungsprozess der höheren Pflanzen. Die durch den Pollen eingeleitete Befruchtung führt zur Bildung von Früchten und Samen und ist damit ganz entscheidende Voraussetzung zur Erhaltung der Art. Während des Transfers zu den zu bestäubenden Narben ist der Pollen einer Vielzahl von schädigenden Umwelteinflüssen ausgesetzt. Wegen seiner zentralen Rolle im Lebenszyklus der Pflanzen bedarf er äußerst wirksamer Schutzeinrichtungen. Unter diesen ist die äußere Pollenwand, die Exine, von grundsätzlicher Bedeutung. Sie ist aus Sporopollenin einem hochresistenten Biopolymer aufgebaut.

In den vergangenen Jahren wurden die Untersuchungen zur Struktur und Biosynthese von Sporopollenin fortgesetzt. Sporopollenin ist in den bekannten Säuren und Lösungsmitteln nicht solubilisierbar. Daher konnten bisher die Untersuchungen nur an partikulärem Material durchgeführt werden. Wie bereits im Forschungsbericht 1995/1996 dargestellt wurde, gelang eine Solubilisierung von Sporopollenin in 2-Aminoethanol (2-AE). Damit war erstmals die Voraussetzung geschaffen neue, bisher nicht anwendbare Analysenmethoden wie die ¹H und ¹³C NMR-Spektroskopie einzusetzen. Mit diesen Verfahren konnte gezeigt werden, dass Aromaten verschiedener Substitutionsmuster in differierenden Mengen am Aufbau von Sporopollenin beteiligt sind. Es handelt sich dabei um tri- und tetrasubstituierte Verbindungen.

Die Möglichkeit einer Solubilisierung von Sporopollenin eröffnete weitere vielversprechende exerimentelle Möglichkeiten. Das durch 2-AE-Behandlung gewonnene Solubilisat konnte mit Hilfe einer Dialysekaskade in Fraktionen mit unterschiedlicher Mol-Masse aufgetrennt werden, und mehr noch: Das Material der einzelnen Fraktionen ließ sich reaggregieren zu - wie elektronenmikroskopische Untersuchungen gezeigt haben - distinkten morphologischen Strukturelementen. Diese zeigen grosse Konvergenzen zu den ausdifferenzierten Exinen bzw. zu deren Substrukturen. Damit wurde ein Modellsystem etabliert, das in besonderer Weise geeignet ist, Probleme des "self assembly" zu studieren.

Die Sporopolleninbiosynthese findet im Lokulus der Antheren statt. Um mögliche Vorstufen bzw. Intermediate zu ermitteln, die am Aufbau von Sporopollenin beteiligt wind, wurde erstmals eine detaillierte Analyse der während der Mikrosporogenese und Pollenentwicklung im Lokulus der Antheren vorkommenden aliphatischen Verbindungen vorgenommen. Bei diesem noch laufenden Projekt werden Mutanten bzw. transgene Pflanzen mit defekter Pollen- und Pollenwandentwicklung verwendet.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. J. Abraham (Institut f. Spektrochemie u. Angewandte Spektroskopie, Dortmund), Dr. F. Ahlers, Dr. H. Bubert, Prof.Dr. M. Grote, Dr. H. Luftmann, Dr. S. Steuernagel (Bruker Analytische Messtechnik, Rheinstetten), Dipl.Biol. I. Thom, Dr. J. Lambert (Institut f. Spektrochemie u. Angewandte Spektroskopie, Dortmund), Prof.Dr. R. Wiermann

Veröffentlichungen:

Ahlers, F., I. Thom, J. Lambert, R. Kuckuk, R. Wiermann:¹H NMR analysis of sporopollenin from Typha angustifolia. Phytochemistry 50:1095-1098 (1999)

Gubatz, S., H. Luftmann, R. Wiermann: Hydrocarbons associated with the developing microspores in the anther loculus of Tulipa. Bot. Acta 111:291-296 (1998)

Jungfermann, C., F. Ahlers, M. Grote, S. Gubatz, S. Steuernagel, I. Thom. G. Wetzels, R. Wiermann: Solution of sporopollenin and reaggregation of a sporopollenin-like material: A new approach in the sporopollenin research. Plant Physiol. 151:513-519 (1997)

Thom, I., M. Grote, J. Abraham-Peskir, R. Wiermann: Electron and X-ray microscopic analyses of reaggregated materials obtained after fractionation of dissolved sporopollenin. Protoplasma 204:13-21 (1998)