Aufklärung und funktionelle Charakterisierung des biosynthetischen Wegs des natürlichen Süßungsmittels Phyllodulcin in Hydrangea macrophylla

Eine Pflanze, die ein ultrasüßes Blatt produziert

Stellen Sie sich eine Tasse Tee aus Blättern vor, die von Natur aus hunderte Male süßer sind als Zucker, dabei aber kaum Kalorien hinzufügen. Der Strauch Hydrangea macrophylla leistet genau dies, indem er eine Verbindung namens Phyllodulcin bildet, die lange Zeit im traditionellen japanischen „Süßtee" verwendet wurde und nun als potenzieller natürlicher Süßstoff und Wirkstoff medizinischen Interesses gewinnt. Diese Studie stellt eine täuschend einfache Frage: Wie stellt die Pflanze dieses starke Süßungsmolekül tatsächlich in ihren Blättern her?

Von einfachen Bausteinen zur besonderen Süße

Pflanzen stellen aus einem kleinen Satz grundlegender Zutaten eine enorme Vielfalt spezialisierter Chemikalien her. Bei Hydrangea macrophylla gehört Phyllodulcin zu einer Familie von Verbindungen, die alle vom Aminosäurebaustein Phenylalanin ausgehen. Die Forscher sammelten 182 verschiedene Hortensiensorten und bestimmten die Mengen an Phyllodulcin und einer eng verwandten Verbindung namens Hydrangenol in ihren Blättern. Einige Sorten produzierten viele dieser süßen Moleküle, andere sehr wenig, und eine verwandte Art, Hydrangea paniculata, stellte gar keine her. Diese natürliche Variation bot ein lebendes Labor, um nachzuverfolgen, welche internen chemischen Wege auf Phyllodulcin zulaufen oder davon wegführen.

Den chemischen Spuren im Blatt folgen

Als Nächstes erfasste das Team 14 Schlüsselsubstanzen aus dem weiteren Phenylpropanoid-Weg, einer zentralen Stoffwechselroute vieler Pflanzen. Sorten mit hohem Phyllodulcin-Gehalt wiesen tendenziell hohe Konzentrationen von Phenylalanin, p-Cumarsäure, Naringenin, Resveratrol, Umbelliferon und einem Derivat namens Thunberginol C auf. Im Gegensatz dazu akkumulierten Pflanzen mit wenig oder keinem Phyllodulcin vermehrt Kaffeesäure und Ferulasäure sowie mehrere verwandte Cumarinverbindungen, was darauf hindeutet, dass bei diesen Pflanzen der chemische Fluss in Nebenwege umgelenkt wird, die nicht im Süßstoff enden. Statistische Analysen zeigten starke positive Korrelationen zwischen Phyllodulcin und der „hohen“ Gruppe von Zwischenprodukten sowie starke negative Korrelationen mit der „niedrigen“ Gruppe, was bevorzugte und alternative Zweige innerhalb der inneren Chemie der Pflanze anzeigt.

Das genetische Rezept der Pflanze lesen

Chemische Hinweise allein können nicht verraten, welche Enzyme jeden Schritt tatsächlich katalysieren, daher untersuchten die Wissenschaftler auch die Genaktivität in Blättern ausgewählter hoch- und niedrigsüßer Sorten sowie der nicht-süßen Art. Mithilfe von RNA-Sequenzierung verglichen sie, welche Gene ein- oder ausgeschaltet waren, und ordneten sie bekannten Stoffwechselwegen zu. In Pflanzen, die viel Phyllodulcin oder Hydrangenol produzierten, waren Gene, die mit Phenylpropanoid-, Flavonoid- und Stilben-Biosynthese assoziiert sind, stark angereichert. Eine Netzwerk-Analyse, die gleichzeitig aktive Gene zu Modulen gruppiert, zeigte, dass bestimmte Gencluster eng mit den Konzentrationen von Phyllodulcin, Hydrangenol und Schlüsselzwischenprodukten wie p-Cumarsäure und Resveratrol korrelierten und auf gemeinsame Kontrollschaltkreise hindeuteten.

Schlüsselschritte auf dem Weg zur süßen Verbindung

Unter den zahlreichen Genen stachen mehrere als plausible Treiber der Phyllodulcin-Bildung hervor. Sorten mit hohem Süßstoffgehalt exprimierten stark Gene für Enzyme wie p-Coumaroyltriacetic Acid Synthase (CTAS), Typ-III-Polyketidsynthasen, Ketoreduktasen, Polyketidzyklasen und ein Resveratrol-modifizierendes Enzym (ROMT). Diese Enzyme können ringförmige Moleküle aufbauen oder umgestalten, die bekannten Zwischenprodukten auf dem Weg zu Phyllodulcin und Hydrangenol ähneln. In Pflanzen mit geringer Süße war ein anderes Gen-Set aktiver, das p-Cumarsäure in Richtung Kaffeesäure und Ferulasäure kanalisiert, was die Idee einer metabolischen Gabelung verstärkt, bei der ein Ast zur Süße und der andere zu nicht verwandten Verbindungen führt. Die nicht-süße Hydrangea paniculata fehlten weitgehend oder nutzten die kritischen Enzyme, wie sie in den süßen Blättern vorkommen, nur unzureichend.

Die neue Karte eines süßen Wegs zeichnen

Durch die Kombination chemischer Fingerabdrücke mit Mustern der Genaktivität schlagen die Forscher ein detailliertes Arbeitsmodell vor, wie Hydrangea macrophylla Phyllodulcin aufbaut. Ihrer Ansicht nach beginnt der Weg mit Phenylalanin und verläuft über p-Cumarsäure, wobei er sich dann in mindestens drei Routen verzweigt, die Hydrangenol, Resveratrol und Thunberginol C umfassen, wobei Letzteres wahrscheinlich als direkter letzter Vorläufer dient. In Sorten, in denen Nebenwege dominieren, wird deutlich weniger Phyllodulcin gebildet. Obwohl einige Schritte noch hypothetisch sind, verwandelt diese Karte einen einst rätselhaften traditionellen Süßstoff in ein gut definiertes biochemisches Produkt. Für Nichtfachleute lautet die Kernaussage: Das Verständnis dieser natürlichen Fabrik auf molekularer Ebene eröffnet die Tür zu Züchtungen süßerer Hortensienvarianten, zur nachhaltigeren Produktion von Phyllodulcin und zur gezielteren Erforschung seiner vielversprechenden gesundheitsbezogenen Eigenschaften.

Zitation: Padmakumar Sarala, G., Engel, F., Hartmann, A. et al. Elucidation and functional characterization of the biosynthetic pathway of the natural sweetener phyllodulcin in Hydrangea macrophylla. Sci Rep 16, 12044 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47892-x

Schlüsselwörter: natürliche Süßstoffe, Hortensie, Pflanzenstoffwechsel, Phyllodulcin, biosynthetische Wege