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How the sugar gets into the beet
So kommt der Zucker in die Rübe


Germany
January 9, 2015

Why do sugar beets contain sugar in the first place? This mystery has finally been solved: Research teams from Germany have identified the responsible sugar transporter. This discovery is a strong impetus to breed enhanced crops.

Sugar beet (Beta vulgaris) provides around one third of the sugar consumed worldwide. The bulbous plants also serve as a significant source of bioenergy in the form of ethanol. 


Green leaves produce the sugar sucrose from sunlight energy, carbon dioxide and water. The sugar beet plant stores sucrose in its taproot. (Drawing: Irina Yurchenko)

"The sugar beet was originally used as a leafy vegetable," says Professor Rainer Hedrich, a plant scientist of the University of Würzburg. Due to breeding efforts in Europe since the late 18th century, the plants have become real sugar factories: "Our high-performance sugar beets contain as much as 2.3 kilogrammes of sugar in ten kilogrammes of beet." But the principle of sugar storage in the plants was unknown until recently.

Specific transporter identified

Hedrich's group has now solved this question in collaboration with scientists from the universities of Erlangen, Kaiserslautern and Cologne: Most of the sugar is concentrated in the taproot as sucrose where it accumulates in the vacuoles. A transport protein called BvTST2.1 acts as a vacuolar sucrose importer.

The researchers have now discovered this transporter and characterised its molecular structure. They believe that the new findings could help to increase sugar yields in sugar beet, sugar cane or other sugar-storing crops by modifying the plants to boost the amount of transporters they contain. The research results are presented in the renowned science magazine "Nature Plants". The project was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF).

Experiments led the way to success

How did the research team obtain its findings? First, they determined the developmental stage during which the beet accumulates sugar. Next, the scientists identified which proteins were increasingly produced during the accumulation phase. Using genome databases, they then determined the genes eligible as potential sugar transporters.

This shifted the focus on one "prime suspect", namely the transport protein BvTST2.1. But how to find out whether this transporter is actually capable of importing sucrose into the vacuole? At this point, the biophysical expertise of Hedrich's team came into play: "We benefited from the fact that the leaf cells do not produce the transport protein of the sugar beet vacuole. So we inserted the beet transporter gene bvtst2.1 into the leaf cells, isolated their vacuoles and measured whether and how the beet protein transports sugar," the professor explains.

Using the patch-clamp method, the scientists demonstrated that the beet transporter selectively imports sucrose into the vacuole and exports protons from the vacuole in turn. This coupled mechanism ultimately results in sugar accumulating in the beet vacuoles where it can reach peak concentrations of 23 percent.

Potential benefits of the new findings

In order to further improve sugar beet crops in terms of sugar storage, the BvTST2.1 transporter has to be tackled inside the sugar beet in a next step: For this purpose, sugar beets containing different amounts of the transporter need to be produced in the lab. Subsequently, the researchers have to observe which impact the transporter dosage has on the beet's sugar content.

"If these tests back our assumptions, it will be possible to breed beets with higher transporter content," Hedrich predicts. Ultimately, this could yield a new generation of beet crops which store more sugar or which start to store sugar earlier in the year.

"Identification of transporter responsible for sucrose accumulation in sugar beet taproots", Benjamin Jung, Frank Ludewig, Alexander Schulz, Garvin Meißner, Nicole Wöstefeld, Ulf-Ingo Flügge, Benjamin Pommerrenig, Petra Wirsching, Norbert Sauer, Wolfgang Koch, Frederik Sommer, Timo Mühlhaus, Michael Schroda, Tracey Ann Cuin, Dorothea Graus, Irene Marten, Rainer Hedrich, and H. Ekkehard Neuhaus, Nature Plants, 2015, January 8, DOI: 10.1038/nplants.2014.1


So kommt der Zucker in die Rübe

Wie entsteht der hohe Zuckergehalt von Zuckerrüben? Diese bislang ungelöste Frage ist jetzt geklärt: Forschungsteams aus Deutschland haben den Zucker-Transporter entdeckt, der dafür verantwortlich ist. Für die Züchtung verbesserter Sorten ist das ein kräftiger Impuls.

Mit Zuckerrüben (Beta vulgaris) wird ein großer Teil des Weltzuckerbedarfs gedeckt. Die üppigen Knollen sind zudem für die Produktion von Bioethanol als Energiequelle bedeutsam.

„Ursprünglich wurde die Zuckerrübe als Blattgemüse genutzt“ sagt Professor Rainer Hedrich, Pflanzenwissenschaftler von der Universität Würzburg. Doch den Europäern sei es seit dem späten 18. Jahrhundert gelungen, eine wahre Zuckerfabrik aus ihr zu züchten: „Bei unseren Hochleistungszuckerrüben kommen auf zehn Kilogramm Rübe bis zu 2,3 Kilo Zucker.“ Doch bis vor kurzem war unklar, nach welchen Prinzipien die Zuckerspeicherung in den Rüben vor sich geht.

Spezifischen Transporter entdeckt

Diese Frage hat Hedrichs Gruppe jetzt mit Wissenschaftlern der Universitäten Erlangen, Kaiserslautern und Köln sowie mit Teams der KWS Saat AG und der Südzucker AG geklärt: Die Rübenzellen häufen den Zucker in Form von Saccharose in speziellen Saftspeichern an, den so genannten Vakuolen. Dorthin gelangt der süße Stoff über ein Transportprotein namens BvTST2.1, das auf Saccharose spezialisiert ist.

Diesen Transporter haben die Forscher nun entdeckt und molekular charakterisiert: „Unsere neuen Erkenntnisse könnten zu Zuckerrüben, Zuckerrohr oder anderen Pflanzen mit noch höherem Zuckergehalt führen – wenn man züchterisch dafür sorgt, dass die Menge der Transporter in den Pflanzen erhöht ist“, meinen sie. Diese Forschungsergebnisse sind in der renommierten Wissenschaftszeitschrift „Nature Plants“ präsentiert. Finanziell gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF.

Welche Experimente zum Erfolg führten

Wie ist das Forschungsteam zu seinen Erkenntnisse gelangt? Zunächst hat es das Entwicklungsstadium bestimmt, in dem die Rübe auf Zuckerspeicherung schaltet. Es folgte die Ermittlung der Proteine, die in der Speicherphase vermehrt gebildet werden. Mit Genom-Datenbanken ließen sich dann die Gene bestimmen, die als potenzielle Zuckertransporter in Frage kommen.

Dabei schälte sich ein „Hauptverdächtiger“ heraus, das Transportprotein BvTST2.1. Wie aber feststellen, ob dieser Transporter tatsächlich Saccharose in die Vakuole verfrachten kann? Hier war das biophysikalische Fachwissen von Hedrichs Team gefragt: „Wir haben die Tatsache genutzt, dass Blattzellen das Transportprotein der Zuckerrüben-Vakuole nicht herstellen. Also haben wir das Rüben-Transporter-Gen bvtst2.1 in die Blattzellen gebracht, deren Vakuolen isoliert und dann gemessen, ob und wie das Rübenprotein Zucker transportiert“, erklärt der Professor.

Mit der Patch-Clamp-Technik konnten die Forscher zeigen, dass der Rüben-Transporter selektiv Saccharose in die Vakuole leitet und im Gegentausch Protonen aus der Vakuole hinausbefördert. Dieser Kopplung ist es letztendlich zu verdanken, dass sich der Zucker in den Rübenvakuolen anhäufen und dort Spitzenkonzentrationen von 23 Prozent erreichen kann.

Was sich mit dem neuen Wissen anfangen lässt

Um Zuckerrüben im Hinblick auf die Zuckerspeicherung weiter zu verbessern, muss der BvTST2.1-Transporter als nächstes auf den Prüfstand – also in die Zuckerrübe selbst: Im Labor müssen Zuckerrüben hergestellt werden, die unterschiedliche Mengen des Transporters enthalten. Dann gilt es zu beobachten, welche Auswirkungen die Transporter-Dosis auf den Zuckergehalt der Rübe hat.

„Findet man das vermutete Prinzip bestätigt, kann man Rüben auf einen erhöhten Transporter-Gehalt hin züchten“, so Hedrich. Das könnte schließlich eine neue Generation von Rüben liefern, die noch mehr Zucker speichern oder die schon früher im Jahr mit der Zuckerspeicherung loslegen.

„Identification of transporter responsible for sucrose accumulation in sugar beet taproots”, Benjamin Jung, Frank Ludewig, Alexander Schulz, Garvin Meißner, Nicole Wöstefeld, Ulf-Ingo Flügge, Benjamin Pommerrenig, Petra Wirsching, Norbert Sauer, Wolfgang Koch, Frederik Sommer, Timo Mühlhaus, Michael Schroda, Tracey Ann Cuin, Dorothea Graus, Irene Marten, Rainer Hedrich, and H. Ekkehard Neuhaus, Nature Plants, 8. Januar 2015, DOI: 10.1038/nplants.2014.1



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Website: http://www.uni-wuerzburg.de

Published: January 9, 2015

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