Alternative Strategien für den Pflanzenschutz

Schwinges, Patrick; Conrath, Uwe (Thesis advisor); Schirawski, Jan (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Schätzungen zu Folge wird die weltweite Bevölkerung bis zum Jahr 2050 auf über neun Milliarden Menschen ansteigen. Dies stellt die Bereitstellung von Nahrungsmitteln - deren Produktion unter anderem von zahlreichen Schaderregern bedroht wird - vor große Herausforderungen. Um die weltweite Nahrungsmittelproduktion zu schützen, nutzt der Mensch seit über 150 Jahren zahlreiche Pestizide. Der großflächige Einsatz von Pestiziden kann jedoch das Auftreten von Pestizidunempfindlichkeiten bei Schädlingen fördern. Deshalb wird eine Reduzierung des Pestizideinsatzes gefordert, wodurch die Nachfrage nach nachhaltigeren Alternativen für den Pflanzenschutz steigt. In der vorliegenden Arbeit wurde einerseits der Ansatz verfolgt, durch eine Kombination aus blattanhaftenden Peptiden mit einem antimikrobiellen Protein, die Persistenz der aktiven Substanz auf behandelten Sojabohnen-Pflanzen zu erhöhen. Durch die Verwendung der amphiphilen Peptide "Liquid chromatography peak I" (LCI) und Thanatin (THA), ließ sich daran gekoppeltes eGFP-Protein auf den Blattoberflächen von mono- und dikotyledonen Pflanzen immobilisieren. Diese Immobilisierung widerstand größtenteils dem Abwaschen durch simulierten- und natürlichen Niederschlag. Das Fusionsprotein DS01-THA schützte darüber hinaus behandelte Sojabohnen-Pflanzen - auch nach simuliertem Niederschlag - vor Befall mit Phakopsora pachyrhizi, dem Erreger des Asiatischen Sojabohnenrostes (SBR). Die zweite in der vorliegenden Arbeit verfolgte Strategie zur Reduktion des Pestizideinsatzes basiert auf der Verwendung alternativer, antimikrobieller Substanzen. Mikroskopische Analysen zeigten, dass die Sporenkeimung von P. pachyrhizi auf Pflanzen der Gattung Helianthus unterdrückt war und dies mit der Ablagerung der Cumarine Scopoletin und Ayapin auf der Blattoberfläche korrelierte. Weiterführende Analysen zeigten, dass sowohl Scopoletin als auch Ayapin die Keimung des Pilzes effektiv unterdrücken. Die Akkumulation dieser Cumarine korreliert mit der Expression von Genen des Phenylpropan-Stoffwechselwegs (PPP), für die eine Funktion bei der Cumarin-Biosynthese vermutet wurde. Funktionelle Analysen bestätigten, dass die kombinatorische heterologe Expression von Sonnenblumengenen aus der Familie der 4-Cumarat-CoA-Ligasen (4CLs), der Feruloyl-CoA-6-Hydroxylasen (F6'Hs) und der o-Methyltransferasen (OMTs) die Biosynthese der Cumarine Scopoletin und Scoparon ermöglichte. Ähnlich zu Scopoletin schützte auch äußerlich appliziertes Scoparon Sojabohnen-Pflanzen vor SBR-Befall. Zur Aufklärung der Biosynthese von Ayapin wurde eine Gesamt-Transkriptomanalyse von Sonnenblumenblättern durchgeführt, welche in Folge von Behandlungen mit CuCl2 sowohl Scopoletin als auch Ayapin differentiell akkumulieren. So konnten CYP-Kandidatengene identifiziert werden, die für die Ayapin-Biosynthese entscheidend sein könnten. Die Resultate der vorliegenden Arbeit könnten die Generierung transgener Sojabohnen-Pflanzen ermöglichen, die die entsprechenden Cumarine akkumulieren und somit ggf. zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegen Schaderreger beitragen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Biochemie und Molekularbiologie der Pflanzen [161620]