Chlorophyll-Abbauprodukte in seneszenten Blättern der Banane (Musa acuminata)

alljährliche Auf- und Abbau des Chlorophylls ist wohl eines der am besten sichtbaren Zeichen von Leben auf unserem Planeten. In Blättern und Früchten höherer Pflanzen werden dabei vorrangig farblose, nicht-fluoreszierende Chlorophyll-Kataboliten (NCCs, non-fluorescent chlorophyll catabolites) aus den grünen Pflanzenpigmenten gebildet. Deren Vorläufer-Moleküle, die fluoreszierenden Chlorophyll-Kataboliten (FCCs, fluorescent chlorophyll catabolites), stellen üblicherweise kurzlebige Intermediate im streng regulierten Abbau der Chlorophylle dar und isomerisieren im sauren Milieu der Vakuolen rasch zu den zugehörigen NCCs. Umso erstaunlicher war die Entdeckung, dass sich in den Schalen reifender Bananen FCCs in größeren Mengen ansammeln und den Früchten zu einer blauen Lumineszenz unter Schwarzlicht verhelfen. Strukturchemische Analysen offenbarten für diese „persistenten“ FCCs unerwartete Modifikationen einer üblicherweise underivatisierten Propionsäure-Seitenkette. Da eine freie Säure-Funktion aber essentiell für die nicht-enzymatische FCC-zu-NCC-Isomerisierung ist, konnte die Persistenz der als hmFCCs („hypermodified“ FCCs) bezeichneten Kataboliten auf diese Weise rationalisiert werden. Im Gegensatz zu Äpfeln und Birnen, bei denen der Chlorophyll-Abbau in Blättern und Früchten jeweils auf identische Weise abzulaufen scheint, konnten im Falle der Banane (Musa acuminata Cultivar ‚Cavendish‘) deutliche Unterschiede festgestellt werden. Denn während in den Schalen reifender Bananen neben den erwähnten hmFCCs auch NCCs nachgewiesen wurden, fanden sich in seneszenten Blättern derselben Sorte fast 80 % des ursprünglich in den grünen Blättern vorhandenen Chlorophylls als FCCs wieder, NCCs hingegen wurden nicht detektiert. Isolation und Charakterisierung von sieben Fraktionen zeigte durchwegs an der Propionyl-Seitenkette derivatisierte hmFCCs mit deutlich lipophilerem Charakter als vergleichbare Kataboliten aus der Bananenschale. Fünf der neuartigen Ma-FCCs (aus Musa acuminata Blättern isolierte FCCs) gemein ist dabei eine Glucopyranosyl-Einheit, die als 6-OH-Ester an den FCC-Kern gebunden ist. Die freien anomeren Zentren der nicht weiter derivatisierten Kataboliten Ma-FCC-63 und Ma-FCC-64 (indexiert nach der Retentionszeit in standardisierten Reversed-Phase (C18) HPLC-Analysen) sind der Grund für die rasche Umwandlung der beiden hmFCCs ineinander. Isomerisierungsversuche bestätigten dies zusätzlich. Detaillierte spektroskopische und spektrometrische Analysen zeigten im Falle von Ma-FCC-69, Ma-FCC-78 und Ma-FCC-79 hingegen ein „Blockieren“ des anomeren Zentrums in ß-Konfiguration. Als Aglycon an Ma-FCC-69 fand sich dabei eine 3,4-Dihydroxyphenylethyl-Einheit. Der Katabolit ist somit konstitutionell identisch mit Sw-FCC-62, einem hmFCC aus seneszenten Blättern der Friedenlilie (Spathiphyllum wallisii). Weiterführende Experimente deuten allerdings darauf hin, dass es sich bei den beiden Kataboliten um C-16 Isomere handelt und die hmFCCs im Bananenblatt somit nicht vom „primären“ FCC (pFCC) abstammen, wie dies bei Spathiphyllum wallisii der Fall ist, sondern von dessen C-16 Epimer (epi-pFCC). Im Falle von Ma-FCC-78 und Ma-FCC-79 fanden sich unerwartete C13-isoprenoide Reste an den ß-Glucopyranosyl-Einheiten, die faszinierende strukturelle (sowie stereochemische) Ähnlichkeit etwa zum Phytohormon Abszisinsäure und dessen Vorläufer-Molekül Xanthoxin aufweisen. In ihrer freien Form und auch als Glycoside wurden derartigen - bzw. ß-Ionol-Derivaten diverse Wirkungen auf Pflanzen sowie auf Pilze nachgewiesen, ein physiologischer Nutzen der identifizierten Chlorophyll-Kataboliten für die Pflanze ist (auch aufgrund der scheinbar gezielten Bildung derartiger hmFCCs) also nicht auszuschließen. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Ma-FCCs findet sich an den Propionyl-Seitenketten von Ma-FCC-61 und Ma-FCC-114 eine 6--Galactopyranosyl-(16)-ß-galactopyranosyl-(11)-glyceryl-Einheit, die im Falle von Ma-FCC-114 zusätzlich einen -Linolenoyl-Rest an der sekundären Hydroxylgruppe der Glyceryl-Einheit aufweist. Damit tragen die beiden Kataboliten Abkömmlinge von Digalactosyldiacylglycerolen, die als häufige Membranbausteine in Thylakoiden und Chloroplasten vorkommen. Weitere Untersuchungen an isolierten Fraktionen lassen vermuten, dass die Kataboliten das potentielle Abbauprodukt eines zweifach acylierten FCCs darstellen. Derartige Modifikationen bestärken erneut die Sichtwiese auf den Chlorophyll-Abbau als mehr als eine bloße „Entgiftungsprozedur“ der (in freier Form) phototoxischen Chlorophylle. An einem partialsynthetisch hergestellten 32-Hydroxy-124-methyl-epi-pFCC konnten außerdem Hinweise auf die Chelatierung von Übergangsmetall-Ionen durch FCCs gefunden werden, die sich etwa in Form von leuchtend grüner Lumineszenz eines gelben Zn(II)-Komplexes unter Schwarzlicht äußert. Durch die resultierenden faszinierenden Eigenschaften derartiger Komplexe könnten FCCs bisher ungeahnte Rollen in Pflanzen übernehmen, so etwa im Transport von Schwermetallionen oder in der Farbgebung seneszenter Blätter und reifender Früchte. Durch modernste spektroskopische und spektrometrische Analysemethoden und mit Hilfe weiterführender Experimente konnten also nicht nur dominante hmFCCs in seneszenten Bananenblättern strukturell identifiziert werden, die Resultate lassen auch Rückschlüsse auf mögliche physiologische Wirkungen der Chlorophyll-Kataboliten zu.vorgelegt von Clemens VergeinerAbweichender Titel laut Übersetzung des VerfassersZusammenfassung in englischer SpracheUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016OeB