Bioökonomie International 2020: "PrimACrop - Vorhaben zur Identifikation von natürlichen Substanzen, die das Abwehrpriming in Nutzpflanzen induzieren und somit einen Beitrag zum nachhaltigen Pflanzenschutz erbringen können"

Abstract

Im integrierten, vor allem aber auch im ökologischen Pflanzenschutz, bestehen seit langem Bedarfe und regulatorische Rahmenbedingungen, die einen reduzierten und effektiveren Einsatz von Pestiziden fordern. PrimACrop zielt darauf ab, den Einsatz synthetischer Pestizide zu reduzieren, indem natürliche Priming-Wirkstoffe (PrimACs) zum umweltfreundlichen Schutz wichtiger Nutzpflanzen eingesetzt oder zumindest mitverwendet werden. Ziel des Projekts ist die Identifikation und Charakterisierung neuer Naturstoffe, die ein Abwehr-Priming in Nutzpflanzen induzieren können. Natürliche Substanzen aus Pilzen stellen eine vielversprechende Quelle für neue Wirkstoffe im Pflanzenschutz dar. Das thailändische Forschungsinstitut BIOTEC (The National Center for Genetic Engineering and Biotechnology) isoliert, reinigt und validiert seit Jahren bioaktive Verbindungen aus verschiedenen Pilzarten, einschließlich entomopathogener Spezies. Im Rahmen des PrimaCrop-Projekts wurde untersucht, welche dieser Substanzen das Potenzial besitzen, pflanzliche Abwehrmechanismen zu aktivieren. Da die Anreicherung dieser Naturstoffe aufwendig ist, wurde ein Screening-System auf Basis einer Petersilien-Zellkultur etabliert, das bereits mit geringen Substanzmengen zuverlässige Analysen ermöglicht. Untersucht wurde, ob die Substanzen (a) das pflanzliche Immunsystem direkt stimulieren (Elicitoren) oder (b) als Primer wirken, indem sie die Zellen auf eine schnellere und effizientere Immunantwort bei Stress vorbereiten. Im Projekt wurden über 80 Substanzen getestet und klassifiziert. Dabei konnten zehn neue Elicitoren, fünf Primer sowie zwei Verbindungen mit dualer Wirkung - abhängig von der Konzentration – identifiziert werden. Die aussichtsreichsten Kandidaten wurden in weiteren Experimenten eingehend charakterisiert. Im weiteren Verlauf des Projekts wurde eine spezielle Reporter-Pflanze eingesetzt, um zu überprüfen, ob die identifizierten Verbindungen nicht nur auf zellulärer Ebene, sondern auch in intakten Pflanzen wirksam sind. Hierfür wurden Arabidopsis cpl2-Mutanten verwendet, die mit einem Reportergen-Konstrukt transformiert wurden. Dieses nutzt einen priming-induzierbaren Promotor, der im aktiven Zustand die Expression des GFP-Gens ermöglicht – geprimte Pflanzen leuchten daher unter spezifischer Anregung grün. Erste Screening-Ergebnisse zeigten, dass ohne eine geeignete Formulierung keine ausreichende Aufnahme der Substanzen erfolgte. Erst durch den Einsatz kommerzieller Formulierungsprodukte, die die Benetzung und Aufnahme von Wirkstoffen verbessern, konnte eine deutliche Signalbildung beobachtet werden. Anhand zweier repräsentativer Substanzen aus den Gruppen Elicitor und Primer wurden in Pflanzen-Pathogen-Interaktionstests durchgeführt, um die schützende Wirkung der identifizierten Verbindungen zu validieren. Beide Verbindungen zeigten eindrucksvoll, dass sie den Befall von Weizenpflanzen mit Echtem Mehltau sowie von Zuckerrüben mit Cercospora-Infektionen signifikant reduzieren können. Diese vielversprechenden Erkenntnisse wurden mit Industriepartnern geteilt, die die Wirksamkeit der neuartigen Substanzen in zukünftigen Feldversuchen auf ihre Eignung für den praktischen Pflanzenschutz validieren werden. Diese Ergebnisse liefern eine wertvolle Grundlage für die Entwicklung innovativer biobasierter Pflanzenschutzstrategien. Datei-Upload durch TIB In integrated, but especially in organic plant protection, there have long been demands and regulatory frameworks requiring a reduced and more effective use of pesticides. PrimACrop aims to reduce the use of synthetic pesticides by employing natural priming agents (PrimACs) for the environmentally friendly protection of important crops or at least integrating them into plant protection strategies. The goal of the project is to identify and characterize new natural compounds capable of inducing defense priming in crops. Natural substances derived from fungi represent a promising source of new active ingredients for plant protection. The Thai research institute BIOTEC (The National Center for Genetic Engineering and Biotechnology) has been isolating, purifying, and validating bioactive compounds from various fungal species, including entomopathogenic fungi, for many years. As part of the PrimACrop project, the potential of these substances to activate plant defense mechanisms was investigated. Since the enrichment of these natural substances is labor-intensive, a screening system based on parsley cell cultures was established, allowing reliable analyses with minimal substance amounts. The study examined whether the compounds (a) directly stimulate the plant immune system (elicitors) or (b) act as primers by preparing the cells for a faster and more efficient immune response under stress conditions. Over 80 substances were tested and classified in the project. Ten new elicitors, five primers, and two compounds with dual activity—depending on their concentration—were identified. The most promising candidates were further characterized in subsequent experiments. In the 2 nd phase of the project, a special reporter plant was used to assess whether the identified compounds were effective not only at the cellular level but also in intact plants. For this purpose, Arabidopsis cpl2 mutants transformed with a reporter gene construct were utilized. This system employs a priming-inducible promoter, which, when active, enables the expression of the GFP gene, meaning primed plants fluoresce green under specific excitation. Initial screenings revealed that without an appropriate formulation, the uptake of the substances was insufficient. Only by use of commercial formulation products, which enhance the wetting and absorption of active compounds, was a clear signal observed. Pathogenicity assays were conducted using two representative substances from the elicitor and primer groups. Both compounds demonstrated impressive efficacy in significantly reducing wheat powdery mildew infections as well as Cercospora infections in sugar beets. These promising findings were shared with industry partners, who will further evaluate the effectiveness of these novel compounds in future field trials to assess their suitability for practical plant protection. These results provide a valuable foundation for the development of innovative bio-based plant protection strategies.