Proteaseinhibitoren sind eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Resistenz gegen Pflanzenfresser in Pflanzen, die für die Bewältigung der erheblichen Ertragsverluste in Nutzpflanzen wie Teepflanzen aufgrund von Insektenfressern von entscheidender Bedeutung ist. Serinproteaseinhibitoren (SERPIN) sind eine der größten Superfamilien von Proteaseinhibitoren in Pflanzen und spielen eine Schlüsselrolle bei der Abwehr von Pflanzenfressern.
Trotz der Fortschritte bei SERPINs, die in vielen Kulturpflanzen gut untersucht wurden, bleiben die spezifische Wirkung und die molekularen Mechanismen von SERPINs in Teepflanzen unklar.
Gartenbauforschung veröffentlichte Forschungsarbeit mit dem Titel „Ein konstitutiver Serinproteaseinhibitor unterdrückt die Leistung von Pflanzenfressern im Tee (Camellia sinensis).“ Diese Studie legt nahe, dass CsSERPIN1 Verdauungsproteasen im Darm inaktivieren und das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzenfressern unterdrücken kann, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Schädlingsprävention in der Landwirtschaft macht.
In dieser Studie wollte das Forschungsteam die Rolle von Serinproteaseinhibitoren bei der Abwehr von Teepflanzen gegen pflanzenfressende Schädlinge untersuchen. Zunächst führten die Forscher ein gründliches Screening der Akzessionen von Teepflanzen durch, um deren Resistenz gegenüber dem Teegeometrid, einem großen Schädling, zu beurteilen.
Dazu gehörte die Identifizierung und Analyse der Expressionsmuster von vier SERPIN-Genen aus dem Teegenom, wobei der Schwerpunkt auf ihrer Struktur und Homologie zu bekannten SERPINs in anderen Pflanzenarten lag. Unter diesen ist CsSERPIN1 wegen seiner negativen Korrelation mit dem Wachstum von Pflanzenfressern hervorzuheben, was auf eine mögliche Rolle bei der Schädlingsresistenz hinweist.
Weitere Untersuchungen zu CsSERPIN1 ergaben, dass es sich um ein konstitutiv exprimiertes Gen mit stabilen Expressionsniveaus unter verschiedenen biotischen und abiotischen Stressbedingungen handelt. Die Funktionalität von CsSERPIN1 als Proteaseinhibitor wurde dann durch In-vitro-Experimente getestet, wobei es signifikante hemmende Wirkungen auf die Verdauungsproteasen Trypsin und Chymotrypsin zeigte.
Diese Ergebnisse wurden durch In-vivo-Tests bestätigt, die zeigten, dass Larven, die mit CsSERPIN1-haltigen Diäten gefüttert wurden, ein verringertes Wachstum und eine verringerte Proteaseaktivität aufwiesen. Die Abwehrfähigkeiten von CsSERPIN1 wurden auch durch vorübergehende Überexpression in Teepflanzen und heterologe Expression in Arabidopsis untersucht. Beide Experimente führten zu einer verringerten Pflanzenfresserwirkung durch die Teegeometride bzw. den Herbstheerwurm.
Zusammenfassend unterstreicht diese Forschung die Rolle von CsSERPIN1 als neuartiger, konstitutiv exprimierter Serinproteaseinhibitor, der das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzenfressern wirksam reduziert, ohne das Wachstum der Wirtspflanze negativ zu beeinflussen. Durch den Nachweis der Breitbandaktivität von CsSERPIN1 gegen verschiedene Pflanzenfresser und seiner stabilen Expression unabhängig von Umweltfaktoren legt die Studie nahe, dass CsSERPIN1 ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung schädlingsresistenter Teepflanzensorten ist.
Die Auswirkungen dieser Forschung gehen über den Teeanbau hinaus und bieten Einblicke in das Potenzial konstitutiver Proteaseinhibitoren als dauerhafte und umweltfreundliche Lösung für den Pflanzenschutz.
Mehr Informationen:
Meng Ye et al, Ein konstitutiver Serinproteaseinhibitor unterdrückt die Leistung von Pflanzenfressern in Tee (Camellia sinensis), Gartenbauforschung (2023). DOI: 10.1093/hr/uhad178