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Pflanzenschutz durch Lösung des Rätsels pflanzlicher Immunität

Der Einsatz von Pestiziden zur Minderung von Missernten durch Schädlinge und Krankheiten schadet der Umwelt und trägt zum Klimawandel bei. Eine EU-Initiative erforschte alternative Pflanzenschutzstrategien.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Pflanzen entwickeln nach einer ersten Infektion Resistenzen und reagieren so wirkungsvoller auf einen zweiten Kontakt mit dem Erreger. Diese Pflanzenimmunisierung, oder Priming, erfordert ein spezielles Gedächtnis nach Erstkontakt, das von ein paar Tagen bis zu ganzen Generationen Bestand haben kann. „Fachleute bewerten Priming als sicherste und wirksamste Methode zur Stärkung des pflanzeneigenen Immunsystems“, kommentiert die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Ana López, die für die Gesamtkoordination des EU-finanzierten Projekts EPILIPIN zuständig war. „Man ist sich außerdem einig, dass Priming das perfekte Ziel für neue Strategien zum Pflanzenschutz darstellt, da es natürliche, lang anhaltende Abwehr gegen Pathogene bietet.“ Dennoch ist tiefgreifenderes Wissen über die ablaufenden Mechanismen notwendig, um Priming im Pflanzenschutz einzusetzen. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.

Bestimmte Oxylipine und verwandte Proteine für Priming von Pflanzenimmunität notwendig

Pflanzeneigene Oxylipinverbindungen und epigenetische Mechanismen sind in den Priming-Prozess involviert. „Ihre bestimmte Rolle und die Verbindung zwischen den zwei Pfaden ist noch nicht untersucht worden“, merkt López an. „Im Sinne der Anliegen und Prioritäten der EU wird EPILIPIN diese Wissenslücke füllen, indem es die Verwendung natürlicher Verbindungen – Oxylipine – beim Auslösen lang anhaltenden Primings für verbesserte landwirtschaftliche Erträge bei gleichzeitiger Minimierung der landwirtschaftlichen Auswirkungen auf die Umwelt untersucht.“ Das Forschungsteam fing mit der Bestimmung der Rolle von Oxylipinen beim Priming an. In diesem Rahmen ordneten sie das durch Oxylipine ausgelöste Signal zeitlich zwischen der Erkennung von Pathogenen und den epigenetischen Veränderungen, die zum Priming (Gedächtnis) führen, ein. Demnach treten die Signale also vor dem epigenetischen Prozess auf. Die Ergebnisse zeigen die zentrale Rolle der Mitochondrien auf dem Signalweg der Oxylipine. Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Energieproduktion für die Zelle durch Respiration und die Regulierung des Zellmetabolismus. Die Ergebnisse verknüpfen Veränderungen der Mitochondrien mit dem Prozess des Primings.

Erfolgreicher Einsatz von Priming im Pflanzenschutz

Das Team von EPILIPIN hat ein Arbeitsmodell entwickelt, in dem das durch das Erkennen des Erregers ausgelöste und von Oxylipinen vermittelte Signal Veränderungen der Mitochondrien auslöst, welche die Ablage der epigenetischen Marker beeinflussen, die dem Belastungsgedächtnis (Priming) zugrunde liegen. Das Team hat andauernde Resistenzen gegen verschiedene Pflanzenpathogene, darunter Pilze, Bakterien und Oomyzeten, herbeigeführt, die nicht nur das behandelte Gewebe schützen, sondern die gesamte Pflanze und in manchen Fällen sogar die nachfolgende Generation. „Das Modell bestätigt nicht nur die Rolle der Oxylipine beim Priming, es bestimmt auch die Mitochondrien als Schnittstelle, die externe Signale aufnimmt und die Reaktion der Pflanze auf Umweltveränderungen koordiniert“, erklärt López. „Dies könnte Auswirkungen auf verschiedene Bereiche haben: von Epigenetik, Pflanzenabwehr und Zellbiologie bis hin zu Ökologie und Evolution.“ López glaubt, dass die Vorteile von EPILIPIN bereits spürbar sind. „Wir haben einige der Elemente in der Signalreihe zwischen Erkennung des Erregers sowie Aufbau eines Belastungsgedächtnisses durch epigenetische Mechanismen und andauerndem Pflanzenschutz entdeckt und bestimmt.“ „EPILIPIN öffnet neue Wege für die Entwicklung alternativer, natürlicherer und nachhaltigerer landwirtschaftlicher Strategien – eine Priorität der EU“, fasst López zusammen. „Die Ergebnisse könnten den Einsatz von Epigenetik beim Pflanzen-Priming ermöglichen, die einen wahren Durchbruch zukünftiger integrierter Programme zur Schädlingsbekämpfung bedeuten und landwirtschaftliche Erträge so positiv beeinflussen könnten.“

Schlüsselbegriffe

EPILIPIN, Priming, Pflanze, Ertrag, Oxylipine, Epigenetik, Mitochondrien, Belastungsgedächtnis

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