Die Hauptursache für Ernteverluste bei Getreide und Früchten sind Insektenbefall und mikrobielle Pathogene. Die hierdurch verursachten Ernteverluste werden weltweit auf eine Gesamtsumme von rund 500 Milliarden US Dollar geschätzt. Um Ernteverluste zu vermeiden, ist ein maß- und verantwortungsvoller Einsatz von Pestiziden für eine ertragreiche Landwirtschaft essentiell. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von Strategien und Technologien zur Reduktion des Pestizideinsatzes für eine nachhaltige Bioökonomie und Landwirtschaft von übergeordneter Wichtigkeit.

Innerhalb des ProPlanta Projekts wurden zwei Technologieplattformen zum Schutz von Zitruspflanzen gegen Zitrus-Krebs (citrus canker) entwickelt und gemeinsam mit den brasilianischen Partnern aus dem Staat São Paul evaluiert. Beide Technologieplattformen wurden im Gewächshaus validiert und die durch den Zitrus-Krebs verursachten Läsionen wurden um ~70 % reduziert. Eine der Nachfrage entsprechende, regenunabhängige und langlebige Freisetzung der Pflanzenschutzmittel (z.B. Gallate) werden mittelfristig den Pestizideinsatz weiter reduzieren und zu einer Nachhaltigen und integrierten Bioökonomie beitragen in welcher Disziplingrenzen überbrückt werden.

Motivation und Hintergrundinformationen: Brasilen ist derzeit der weltweit führende Orangenproduzent, wobei 75 % der Orangenproduktion im Staat São Paul beheimatet ist. Der brasilianische Zitrusfrucht-Anbau generiert jährlich über 2 Milliarden US Dollar Exporteinnahmen. Der Zitrus-Krebs ist nicht nur eine Gefahr für den Orangenanbau, sondern für alle Zitruspflanzen weltweit. Zitrus-Krebs wird durch das Bakterium Xanthomonas citri subsp. citri (Xac) and X. fuscans subsp. aurantifolli verursacht. Xac ist für die asiatische und schwerere Form der Krankheit verantwortlich, welche zu Entlaubung, Chlorophyllabbau und dem vorzeitigem abfallen der unreifen Früchte führen kann, was zu einer enormen Ertrags- und Qualitätsminderung führt. Xac dringt über natürliche Öffnungen z.B. Stomata der Blätter oder Wunden in die Pflanzen ein und infiziert diese. Seit 2009 ist die Gesetzgebung zur Bekämpfung von Zitrus-Krebs ein vorherrschendes Thema; Erzeuger sind verpflichtet die infizierten Bäume in den Anbaugebieten zu beseitigen und in einem Umkreis von 30 Metern eine Kupfer-Formulierungen zu versprühen. Trotz dieser Regelungen steigen die Zitrus-Krebs Befälle weiter und es besteht die Gefahr, dass der Zitrus-Krebs in São Paulo endemisch wird, wie es bereits in südlichen Teilen Brasiliens der Fall ist. Der ständige Gebrauch des Schwermetalls Kupfer im Pflanzenschutz hinterlässt Rückstände in Obst und Boden mit unbekannten Risiken für Mensch und Umwelt und führt zur Ausbildung und Verbreitung von kupferresistenten Bakterienstämmen mit unvorhersehbaren Auswirkungen auf die Landwirtschaft. Das ProPlanta Projektteam hat zwei generell anwendbare Technologieplattformen für den Pflanzenschutz entwickelt und im Orangenanbau validiert, welche das Potential besitzen den Einsatz von Bakteriziden/Kupfer signifikant zu reduzieren bzw. durch abbaubare aktive Agentien zu substituieren. Die erste Plattform besteht aus bifunktionalen Fusionsproteinen mit einer antimikrobiellen und einer Blattverankernden Einheit (Ankerpeptid) und die zweite Plattform basiert auf Gallat (Pestizid) beladenen Mikrogel-Containern, welche mittels Ankerpeptide an die Blattoberflächen gebunden werden und die Gallate langsam und nach Bedarf freisetzen. Die bifunktionalen Fusionsproteine bestehen aus einem Blattbindenden Ankerpeptid und einem antimikrobiellen Peptid (Wirksam gegen Xanthomonas citri) für den Pflanzenschutz und besitzen eine einstellbare Bioabbaubarkeit, was einen nachhaltigen Pflanzenschutz sicherstellt. Ziel der Mikrogel-Plattform ist eine kontrollierte Freisetzung der Pflanzenschutzmittel (Gallate: Ester der Gallussäure) auf der Blattoberfläche durch Gallat-beladene Container (Mikrogele), welche mittels Ankerpeptiden auf der Blattoberfläche immobilisiert werden. Gallussäure ist Bestandteil des Sekundärmetabolismus von Pflanzen und kommt entweder in freier Form oder als Teil des hydrolysierbaren Tannins vor. Gallate werden in Deutschland bereits als Zusatzstoffe für Lebensmittel genutzt. Aus diesen Gründen ist es wahrscheinlich, dass Gallate nicht in der Umwelt akkumulieren, wie dies bei anderen bioaktiven Agentien des Pflanzenschutzes der Fall ist. Mikrogel-Container werden mit einstellbaren Freisetzungskinetiken der antimikrobiellen Verbindungen hergestellt und über die maßgeschneiderten Ankerpeptide wird eine feste Anbindung und Regenbeständigkeit der beladenen Mikrogele sichergestellt