Brassica-Gemüsesorten sind reich an schwefelhaltigen sekundären Pflanzeninhaltsstoffen, insbesondere Glucosinolaten, deren enzymatischer Abbau eine Vielzahl biologisch aktiver Verbindungen freisetzt, darunter Isothiocyanate, Nitrile und Epithionitrile. In der Ernährungsforschung stehen Isothiocyanate insbesondere aufgrund ihrer vielfältigen gesundheitsfördernden Eigenschaften im Fokus, zu denen antimikrobielle, krebshemmende, entzündungshemmende und antioxidative Wirkungen zählen. Die Bildung von Isothiocyanaten variiert jedoch stark und wird durch ein komplexes Zusammenspiel genetischer, physiologisher und umweltbedingter Faktoren bestimmt. Eine entscheidende Rolle in dieser Regulation spielen sogenannte Specifier-Proteine, wie Nitrilspecifier-, Epithiospecifier- oder Epithiospecifier-Modifier-Proteine. Neben Glucosinolaten können Brassica Gemüsesorten auch erhebliche Mengen an S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid produzieren, das ebenfalls enzymatisch abgebaut werden kann. Dabei entstehen verschiedene flüchtige organische Schwefelverbindungen, darunter das chemopräventive und antimikrobielle S-Methyl-Methanethiosulfinat. Diese Studie untersuchte die multifaktorielle Regulation der Glucosinolathydrolyse in Brassica-Gemüsen. Im Fokus stand die Frage, wie Blattontogenese und saisonale abiotische Faktoren den Glucosinolatstoffwechsel sowie die Bildung von Hydrolyseprodukten über die Regulation von Expression, Menge und Aktivität der Specifier-Proteine beeinflussen. Darüber hinaus wurde der saisonale Einfluss auf den Stoffwechsel von S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid analysiert. Die Glucosinolat-Analyse erfolgte mittels HPLC-DAD-ToF-MS, während S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid mithilfe von UHPLC-FLD quantifiziert wurde. Die Hydrolyseprodukte sowohl der Glucosinolate als auch von S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid wurden durch GC-MS bestimmt. Die Aktivität der Epithiospecifier-Proteine wurde in einem Assay ermittelt, in dem die Hydrolyse eines exogenen Glucosinolats in Pflanzenextrakten untersucht wurde. Zur Aufklärung der Regulation der Hydrolyse von Glucosinolaten und S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid durch abiotische Umweltfaktoren wurde ein Proteomik-Ansatz mittels nanoLC-MS/MS angewendet. Ergänzend wurde die Genexpression der Specifier-Proteine mittels qPCR analysiert. Die Untersuchung des Einflusses der Blattontogenese auf die Glucosinolathydrolyse in zwei kontrastierenden Brassica-Blattgemüsen: Pak Choi, der die Bildung von Epithionitrilen begünstigt, und Rotem Blattsenf, der überwiegend Isothiocyanate bildet, zeigte, dass die Glucosinolatgehalte in jungen Blättern am höchsten sind und mit zunehmendem Alter abnehmen. Dieses Muster korrelierte mit einer erhöhten Isothiocyanatbildung in jüngeren Blättern. Zudem konnte gezeigt werden, dass Glucosinolate aus älteren Blättern in jüngere Blätter transportiert werden, was auf eine gezielte Strategie der Abwehrstoffverteilung hinweist. Darüber hinaus wurden sowohl Feldversuche als auch Experimente unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, um zu untersuchen, wie saisonale Wachstumsbedingungen und spezifische abiotische Faktoren wie Temperatur, Lichtintensität und Photoperiode die Hydrolyseprodukte in Gemüsekohl (Brassica oleracea) beeinflussen. Feldexperimente über mehrere Wachstumsperioden zeigten, dass im Sommer geerntete Kohlpflanzen signifikant höhere Isothiocyanat-Gehalte bildeten, während im Herbst geerntete Pflanzen eine deutliche Verschiebung hin zu Nitrilen und Epithionitrilen zeigten, ausgelöst durch eine erhöhte Expression von Epithiospecifier-Proteinen. Zusätzlich wurde ein genotypspezifischer saisonaler Unterschied in der Anreicherung von S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid beobachtet. Versuche unter kontrollierten Bedingungen mit Sprossen und ausgewachsenen Pflanzen bestätigten, dass insbesondere Lichtbedingungen, Photoperiode und Lichtintensität, sowohl für die Glucosinolatakkumulation als auch für die Bildung der Hydrolyseprodukte entscheidend sind. Eine verringerte Lichtintensität und kürzere Photoperioden verschoben die Hydrolyse in Richtung weniger bioaktiver Nitrile und Epithionitrile, teilweise durch die Hochregulation mehrerer Epithiospecifier-Protein-Isoformen. Im Gegensatz dazu führten sommerähnliche Lichtbedingungen zur Induktion eines putativen Epithiospecifier-Modifier-Proteins, das die Bildung von Isothiocyanaten begünstigt. Diese Ergebnisse weisen auf mehrere Strategien zur Verbesserung des Nährwerts von Brassica-Gemüsen hin, etwa die Auswahl und den Verzehr jüngerer Blätter oder die Ernte im Sommer beziehungsweise unter hoher Lichtintensität im Feld oder Gewächshaus. Ein vertieftes Verständnis der Rolle von Blattalter, Lichtbedingungen und Temperatur bei der Regulation von Specifier-Proteinen, und damit der Steuerung des Hydrolyseergebnisses von Glucosinolaten, kann sowohl die pflanzeneigene Abwehr gegenüber Schädlingen und Krankheitserregern als auch den gesundheitlichen Nutzen für den Menschen optimieren.
Vanda Púčiková (Thu,) studied this question.