Lignine sind komplexe, hochvernetzte organische Polymere, die vor allem in den Zellwänden von Pflanzen vorkommen. Sie gehören – neben Cellulose und Hemicellulose – zu den wichtigsten Strukturbestandteilen von Holz und vielen anderen Pflanzengeweben. Die komplexen Moleküle, die die Pflanzen stabil machen und ihnen ein hohes Wachstum ermöglichen, sind nicht so zufällig, wie einst angenommen. Eine neue internationale Studie unter der Leitung von Prof. Edouard Pesquet von der Universität Stockholm deckt auf, wie sich die Chemie und Struktur von Ligninen zwischen verschiedenen Zelltypen unterscheiden, um den physiologischen Bedürfnissen der Pflanzen gerecht zu werden. Der Artikel, der als Tansley Review in der Fachzeitschrift New Phytologist veröffentlicht wurde, hebt hervor, wie entscheidend diese molekulare Vielfalt für den Erfolg der Pflanzen an Land war.
Prof. Pesquet ist Forscher am Institut für Ökologie, Umwelt und Pflanzenwissenschaften der Universität Stockholm und am Bolin-Zentrum für Klimaforschung. Mitautorin Prof. Katharina Pawlowski, ebenfalls am selben Institut der Universität Stockholm und am Bolin-Zentrum tätig, brachte ihr Fachwissen über Pflanzenphysiologie und symbiotische Interaktionen ein.
„Unsere Arbeit kombiniert detaillierte Strukturanalysen von Ligninen mit Erkenntnissen über ihre strukturspezifischen physiologischen Funktionen“, sagt Prof. Pawlowski.
Ohne Lignine gäbe es keine Bäume, Farne oder Blütenpflanzen – nur Moose. Lignine stärken die Zellwände von Pflanzen und ermöglichen so den Wassertransport, den UV-Schutz und die Abwehr von Krankheitserregern. Außerdem speichern sie schätzungsweise 25 bis 30 % des gesamten biologischen Kohlenstoffs auf der Erde. Da sie Hauptbestandteil von Holz sind, haben sie darüber hinaus eine wichtige Bedeutung für die Papierherstellung, Bioenergie, Biokunststoffe und die chemische Industrie.
Die Studie, die in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität von São Paulo (Brasilien) und der Tokyo University of Agriculture and Technology (Japan) durchgeführt wurde, fasst jahrzehntelange Forschungsergebnisse zusammen, um zu klären, wie Lignine entstehen und funktionieren. Sie zeigt, dass die spezifische räumliche Verteilung und chemische Zusammensetzung von Ligninen in jedem Zelltyp darüber entscheidet, wie effektiv Pflanzen wachsen und sich an ihre Umgebung anpassen.
„Obwohl wir wissen, dass verschiedene Zelltypen strukturell unterschiedliche Ligninpolymere synthetisieren, sind ihre einzigartigen physiologischen Funktionen erst seit Kurzem bekannt“, sagt Co-Autor Prof. Igor Cesarino von der Universität São Paulo. „Unsere Studie bewertet kritisch, wie die Ligninchemie die Pflanzenentwicklung und die Reaktionen auf Umweltveränderungen unterstützt.“
Die umfassende Übersicht enthält auch ein Glossar mit Begriffen aus dem Bereich Lignin, einen Vorschlag für eine überarbeitete Nomenklatur für die Ligninchemie und eine eingehende Betrachtung von Ligninen, von ihrer Molekülstruktur bis hin zu ihrer genetischen Regulation und ihren physiologischen Funktionen. „Die Vielfalt der Ligninstrukturen spiegelt die vielen Anpassungsprozesse wider, die Pflanzen im Laufe ihrer langen Evolutionsgeschichte durchlaufen haben“, fügt Mitautor Prof. Shinya Kajita von der Tokyo University of Agriculture and Technology hinzu.