Da ist der Wurm drin

Pheromone von Fadenwürmern könnten den Pflanzenschutz revolutionieren

09.08.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Sojapflanzen wurden mit einem Oomyceten-Erreger infiziert. Die rechte Pflanze wurde mit ascr#18 behandelt, die linke nicht. (Bildquelle: © Aardra Kachroo, University of Kentucky)
Sojapflanzen wurden mit einem Oomyceten-Erreger infiziert. Die rechte Pflanze wurde mit ascr#18 behandelt, die linke nicht. (Bildquelle: © Aardra Kachroo, University of Kentucky)

Pestizide nein – Pflanzenschutz ja! So lautet die Debatte in der ökologischen Landwirtschaft und in vielen Teilen der Gesellschaft. Botenstoffe mikroskopisch kleiner Fadenwürmer im Boden könnten zukünftig helfen, diesen Wunsch zu erfüllen. Bereits 2015 hatte ein internationales Forscherteam die pflanzenschützende Wirkung eines Wurm-Pheromons für Tomaten-, Kartoffel- und Gerstenpflanzen belegt. Nun wurde die Liste um die vier weltweit wichtigsten Nutzpflanzen erweitert. Eine vielversprechende Lösung, die das Potenzial hat, die Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft voranzubringen.

Bei einem Befall mit Krankheitserregern oder Schadinsekten haben Landwirte grundsätzlich zwei Möglichkeiten, Ernteverluste geringzuhalten: Entweder töten sie die Angreifer mit einem Pestizid ab oder sie stärken das Immunsystem ihrer Pflanzen so, dass es anschließend selbst mit dem Eindringling fertig wird. Letztere Methode ist besonders umweltschonend, wird aber vorrangig nur in der ökologischen Landwirtschaft eingesetzt.

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Mithilfe von ascr#18 könnte der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmittel verringert werden.

Mithilfe von ascr#18 könnte der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmittel verringert werden.

Quelle: © iStock.com/fotokostic

Mit der Hoffnung, Pflanzen widerstandsfähiger machen, hatten internationale Wissenschaftler bereits 2015 Versuche mit einem Pheromon von Wurzel-Knoten-Nematoden durchgeführt und dessen schützende Wirkung gegen unterschiedliche Bakterien, Viren und Cellulosepilze nachgewiesen. Der verwendete Botenstoff namens ascr#18 erhöhte dabei die Resistenz der Modellpflanze Arabidopsis sowie von Tomaten- Kartoffel- und Gerstenpflanzen.

ascr#18 gehört zur Ascarosid-Familie der Pheromone und wird von vielen bodenbewohnenden Nematodenarten produziert und dient eigentlich zur chemischen Kommunikation zwischen Tieren.

Nematoden-Pheromone stärken das pflanzliche Immunsystem

Die molekulare Wirkweise, wie ascr#18 das Immunsystem der Pflanze beeinflusst, ist bislang noch nicht erforscht. Studienleiter Frank Schroeder vom Boyce Thompson Institute in Ithaca (USA) hat jedoch eine Vermutung, weshalb die Pheromone des Wurms die Abwehr der Pflanze verbessern: „Pflanzenwurzeln sind ständig Fadenwürmern im Boden ausgesetzt. Daher ist es sinnvoll für die Pflanzen, solche Schädlinge erkennen zu können und ihr Immunsystem in Erwartung eines Angriffs zu stärken.“

Um die Reichweite der Wirksamkeit von ascr#18 zu untersuchen, wurden nun Studien an den weltweit wichtigsten Nutzpflanzen durchgeführt. Die Forscher behandelten dazu Sojabohnen (Glycine max), Reis (Oryza sativa), Weizen (Triticum aestivum) und Mais (Zea mays) mit geringen Mengen an ascr#18 und infizierten die Pflanzen danach mit potentiell schädlichen Viren, Bakterien,oder Pilzen. Bei den Untersuchungen einige Tage später zeigten sich die mit ascr#18 behandelten Pflanzen deutlich resistenter gegen die Erreger als die unbehandelten Pflanzen.

Ascaroside sind umweltverträglich

Da Ascaroside das Immunsystem der Pflanzen stärken, anstatt Schädlinge und Krankheitserreger direkt abzutöten, zählen sie nicht zu den chemischen Pestiziden. Problematisch bei einigen Pestiziden ist, dass sie durch Auswaschungsprozesse bis ins Grundwasser gelangen können. Die Forscher stufen Ascaroside als wesentlich unproblematischer ein. „Ascaroside sind Naturstoffe, die für Pflanzen, Tiere, Menschen und die Umwelt sicher zu sein scheinen“, sagt der Erstautor der Studie, Daniel Klessig. „Ich glaube, sie könnten Pflanzen umweltfreundlicher als Pestizide vor Schädlingen und Krankheitserregern schützen.“

Wirkung in geringen Konzentrationen

Die Pheromone schützen bereits in sehr geringen Konzentrationen. Interessanterweise scheint die wirksamste Konzentration von der Pflanzenart und nicht vom Erreger abhängig zu sein. Es wird angenommen, dass dies mit den möglichen Andockstellen für ascr#18 an den Pflanzenzellen zusammenhängt, da verschiedene Pflanzenarten unterschiedlich große Mengen solcher Rezeptoren exprimieren. Die Rezeptoren an sich können außerdem unterschiedliche Affinitäten für Ascaroside aufweisen.

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Arabidopsis-Pflanzen, die mit dem Rüben-Knitter-Virus (TMV) infiziert wurden: mit ascr#18 (rechts) behandelt, ohne ascr#18 (links).

Quelle: © Murli Manohar, Boyce Thompson Institute

ascr#18 ist wahrscheinlich universell einsetzbar

Die Wissenschaftler mutmaßen, dass sich mithilfe von ascr#18 die Ernteausfälle aller wichtigen Nutzpflanzen der Erde vermindern ließen und so der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmittel deutlich verringert werden könnte.

Reis ist beispielsweise das wichtigste Grundnahrungsmittel für fast die Hälfte der Weltbevölkerung. In den Versuchen der Forschergruppe bot ascr#18 Schutz vor Xanthomonas oryzae, einem Bakterium, das in asiatischen Ländern Ertragsausfälle von 10-50 % verursacht.

Weizen liegt dicht hinter Reis auf der Liste der weltweit wichtigsten Nutzpflanzen. Die Forscher zeigten die Schutzwirkung von ascr#18 gegenüber Zymoseptoria tritici, einem Pilz, der eine der schwersten Blattkrankheiten der Pflanze hervorruft.

Mais ist vor allem in Nord- und Südamerika weit verbreitet und wird als Lebensmittel, Tierfutter und für die Herstellung von Bioethanol genutzt. Maispflanzen wurden nach der Behandlung mit ascr#18 deutlich resistenter gegen Cochliobolus heterostrophus, einem Pilzerreger, der die Südliche Maisblattfäule verursacht.

Soja ist eine wichtige eiweiß- und ölreiche Samenpflanze, die in großen Mengen in der Tierfutterindustrie verwendet wird. Gleichzeitig dient sie in vielen Teilen der Erde auch als Grundnahrungsquelle für den Menschen. ascr#18 schützte Soja zumindest unter Laborbedingungen vor Phytophthora sojae, einem Oomyceten, der infizierte Pflanzen innerhalb weniger Tage abtöten kann. Außerdem zeigten die Pflanzen eine verbesserte Abwehr gegen das Sojamosaik-Virus sowie den bakteriellen Erreger Pseudomonas syringae.

Die Forscher arbeiten nun daran, die molekularen Mechanismen zu bestimmen, wie Ascaroside das Immunsystem der Pflanze stärken. Ihre Entdeckungen werden bereits von einem Start-up-Unternehmen unter dem Namen PhytalixTM vermarktet.

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