Science würdigt unsere jüngsten Forschungsarbeiten zum Pflanzenschutz

26.04.2019
  Regenresistenter Pflanzenschutz durch Funktionalisierung der Blattoberfläche mit Dipeptiden Urheberrecht: © Green Chemistry Regenresistenter Pflanzenschutz durch Funktionalisierung der Blattoberfläche mit Dipeptiden

Die BiFuProt-Oberflächenbeschichtungsplattform wurde in einem kürzlich vom Fachmagazin Science veröffentlichten Presseartikel als neue Pflanzenschutztechnologie hoch gelobt. Der Science-Artikel zitierte führende Pflanzenwissenschaftler: "With the current scale of the soybean rust problem, and the rapid evolution of resistance against multiple fungicides, any addition to the toolbox would be welcome", sagt Nichola Hawkins von Rothamsted Research in Harpenden, Großbritannien, und Ralph Hückelhoven von der Technischen Universität München wird zitiert: "It opens a treasure box of solutions".

Der Pflanzenschutz mittels Pestiziden steht oft vor der Herausforderung, dass Pestizide eine sehr geringe Verweildauer und Regenfestigkeit auf den Pflanzenblättern aufweisen. Die Reduktion der eingesetzten Pestizidmenge bei gleichbleibendem Ernteertrag bedarf der Entwicklung neuer Strategien in der Schädlings- und Krankheitsbekämpfung. In unserem aktuellen Forschungshighlight, das in der Zeitschrift Green Chemistry veröffentlicht wurde, haben wir eine Plattformtechnologie entwickelt, die die Funktionalisierung der Pflanzenoberfläche für ein nachhaltiges Krankheitsmanagement ermöglicht. Wir zeigten einen alternativen Weg, Sojabohnenblätter vor dem asiatischen Sojarost (Phakopsora pachyrhizi) zu schützen, indem die Blätter mit bifunktionalen Fusionsproteinen oder kurz BiFuProts funktionalisiert werden.

"With the current scale of the soybean rust problem, and the rapid evolution of resistance against multiple fungicides, any addition to the toolbox would be welcome."

- Nichola Hawkins (Rothamsted Research, Harpenden, Großbritannien)

Die erste Domäne der BiFuProts bindet an die Wachsschicht der Pflanzenblätter und die zweite Domäne verhindert die Keimung von Phakopsora pachyrhizi Sporen. Im Detail wurden die amphiphilen Ankerpeptide LCI, Thanatin, Tachystatin A2 und Lactoferricin B genetisch mit dem Reporterprotein eGFP fusioniert und auf die Bindung von Pflanzenblättern untersucht. eGFP-LCI und eGFP-Thanatin binden regenfest an die Oberfläche von Soja-, Gersten- und Maisblättern. Insbesondere widerstand das an Sojablätter gebundene eGFP-Thanatin hohen Temperaturen, Sonnenlicht und biologischem Abbau über einen Zeitraum von mindestens 17 Tagen. Eine schwache Bindung von eGFP-LCI und eGFP-Thanatin an die Blätter einer Gerste-Variente mit stark reduzierten Waxen auf der Blattoberfläche lässt vermuten, dass die Peptide hauptsächlich an die Wachsschicht der Blätter binden. Als Fusionspartner für Thanatin wurde das antimikrobielle Peptid Dermaseptin 01 ausgewählt. Das bifunktionelle Peptid Dermaseptin 01-Thanatin inhibierte die Sporenbildung von Phakopsora pachyrhizi in vitro und reduzierte die Ausbildung der Symptome des Asiatischen Sojabohnenrosts. Es ist sehr wahrscheinlich, dass modernste Protein-Engineering-Strategien wie PePevo in Kombination mit einer KnowVolution-Kampagne das Design von Peptiden mit maßgeschneiderter Bindungsstärke und Persistenz ermöglichen werden, die den Anforderungen der Anwendung entsprechen. Wir gehen davon aus, dass bifunktionale Peptide oder Proteine, die aus Ankerpeptiden (Blattbinding) und antimikrobiellen Peptiden oder Proteinen (Pestizid) bestehen, das Potenzial besitzen eine Vielzahl an Pflanzenschädlingen und Krankheiten zu bekämpfen.

Diese innovative Forschung wurde im Rahmen des Bioeconomy Science Center (BioSC) durchgeführt, das vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen im Rahmen des NRW-Strategieprojekts BioSC gefördert wurde. Das BiFuProts (Bifunktionale Fusionsproteine für den Pflanzenschutz; BOOST FUND Projekt) Team bestand aus Professor Ulrich Schwaneberg und Dr. Felix Jakob (Initiator/Koordinator; RWTH Aachen Universität), Professor Uwe Conrath und Dr. Caspar Langenbach (RWTH Aachen Universität), Professor Lutz Schmitt (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) und Professor Georg Noga, Dr. Mauricio Husche und Dr. Shyam Pariyar (Universität Bonn).

"It opens a treasure box of solutions"

- Ralph Hückelhoven (Technische Universität München)

Die Pflanzengesundheit ist bereits seit fünf Jahren ein aufstrebendes Forschungsgebiet innerhalb der Schwaneberg-Gruppe in enger Zusammenarbeit mit Pflanzenwissenschaftlern und Chemikern. Die Freisetzung von Pflanzennährstoffen wurde am Beispiel des Eisenmangels in Gurken im BioSC-Projekt GreenGel erfolgreich demonstriert. Dr. Felix Jakob und Professor Schwaneberg (Koordinator; RWTH Aachen Universität) haben sich im GreenGel-Projekt mit Professor Pich (RWTH Aachen Universität) und Professor Goldbach (Universität Bonn) zusammengeschlossen. Die GreenRelease-Technologie basiert auf den verbindungsbeladenen Mikrogelen (Behältern), die mit Ankerpeptiden (Blattbindung) dekoriert werden und in 2017 in der Angewandte Chemie als Hot Paper veröffentlicht wurden. Basierend auf dem Erfolg der GreenGel- und BiFuProts-Projekte wurde das FocusLab greenRelease for Plant Health für die translationale Forschung (2,3 Mio. €; ab Januar 2018 für drei Jahre) bewilligt. In dem BioSC-FocusLab haben wir uns mit den Gruppen von Professor Pich (RWTH Aachen Universität), Professor Conrath (RWTH Aachen Universität), Professor Noga (Universität Bonn), Professor Bröring (Universität Bonn), Professor Knief (Universität Bonn), Professor Groth (HHU Düsseldorf), Professor Gohlke (HHU Düsseldorf) und Professor Schurr (Forschungszentrum Jülich) zusammengeschlossen, um in den kommenden Jahren bahnbrechende Forschungsarbeiten im Bereich der Pflanzengesundheit und des Pflanzenschutzes durchzuführen.