Obwohl Spulwürmer fast zu klein sind, um gesehen zu werden, können sie bei Mais, Sojabohnen, Erdnüssen und anderen Feldfrüchten große Probleme verursachen. Zusammengenommen sind diese Spulwürmer als pflanzenparasitäre Nematoden bekannt und verursachen jedes Jahr weltweit Ernteverluste in Höhe von 173 Milliarden US-Dollar.
Diese Ernteertrags- und Qualitätsverluste können auftreten, obwohl den Landwirten chemische Kontrollen, resistente Sorten und andere Methoden zur Verfügung stehen. Daher beschloss ein Team des Agricultural Research Service (ARS) und Universitätswissenschaftler, tiefer in die grundlegende Biologie dieser Nematoden und insbesondere in ihre Gene für die Reproduktion einzutauchen.
Aber die heimliche Natur dieser millimeterlangen Schädlinge und die Besonderheiten ihres Lebenszyklus entgingen den neuesten Hightech-Werkzeugen, mit denen die Wissenschaftler sie zu untersuchen hofften.
Glücklicherweise fanden sie eine „Umgehungslösung“ in Form der Elektroporation. Kurz gesagt, bei dieser Technik werden Nematoden in eine Plexiglaskammer mit einer Pufferlösung getaucht und mit kleinen Stromstößen gepulst. Dies betäubt die Kreaturen und öffnet vorübergehend Poren in ihren Körpern, durch die der wichtigste „Wirkstoff“ der Lösung eindringen kann – nämlich Teile des genetischen Materials namens NanoLuc-Luciferase-mRNA.
Luciferase ist ein Enzym, das eine Verbindung namens Luciferin oxidiert und eine Art von Licht namens Biolumineszenz erzeugt, wie es von Glühwürmchen emittiert wird. In diesem Fall haben Wissenschaftler eine Luciferase-codierende Sequenz, die einer biolumineszierenden Tiefseegarnele entnommen wurde, „umgerüstet“ und in die Nematoden elektroporiert.
„Nematoden haben primitive Nervensysteme“, erklärte Leslie Domier, Pflanzenpathologin (im Ruhestand) der ARS-Sojabohnen/Mais-Keimplasma-, Pathologie- und Genetik-Forschungseinheit in Urbana, Illinois. „Als sie elektroporiert wurden, waren sie bis zu einer Stunde immobilisiert, erholten sich dann aber und verhielten sich normal.“
Die Wissenschaftler haben dann die Nematoden geerntet, damit der Inhalt ihrer Zellen, einschließlich Luciferase, zu einer Mischung gemischt werden konnte, die als „Homogenat“ bezeichnet wird. Als nächstes mischten sie das Homogenat mit einer Luciferin-ähnlichen Chemikalie namens Furamazin und Presto – Biolumineszenz wurde erreicht.
Anstatt dies mit bloßem Auge zu beobachten, verwendeten die Wissenschaftler biochemische Assays und empfindliche Lichterkennungsgeräte, um die Stärke der Biolumineszenz des Homogenats zu messen und festzustellen, wie gut ihre Experimente funktioniert hatten. Bisher haben die Forscher Luciferase-mRNA erfolgreich in Sojabohnen-Zystennematoden (SCN) und Wurzelgallennematoden – beides kostspielige Ernteschädlinge – und Caenorhabditis elegans, eine frei lebende Art, die keinen Wirt benötigt, um sie zu schädigen, elektroporiert reproduzieren.
Laut Glen Hartman, einem weiteren Pflanzenpathologen (ARS im Ruhestand) im Forschungsteam, öffnet der Ansatz die Tür zur Einführung anderer synthetischer mRNAs in Nematoden, um aufzudecken, wie sie sich verändern und wo, sowie wann die eigenen Gene des Nematoden in Zellen aktiviert werden.
Es kann auch Anwendungen zur Schädlingsbekämpfung geben. Beispielsweise könnte die Elektroporation eine Möglichkeit bieten, Laborkolonien von Sojabohnen-Zystennematoden zu züchten, die Teile des genetischen Codes tragen, deren einziger Zweck darin besteht, das Verhältnis von männlichen zu weiblichen Nachkommen zu verzerren. Theoretisch würde die Freilassung dieser im Labor gezüchteten Nematoden zur Paarung mit solchen in freier Wildbahn letztendlich zu einem Generationencrash führen.
„Wir stellten die Hypothese auf, dass wir, wenn wir in die Geschlechtsbestimmung bei Nematoden eingreifen könnten, die Nematodenpopulationen unter die ernteschädigenden Schwellenwerte reduzieren könnten“, sagte Domier. Dies könnte wiederum den Bedarf an chemischen Kontrollen verringern oder dazu beitragen, die Wirksamkeit von elitären, resistenten Sorten, die von den Erzeugern bevorzugt werden, zu verlängern, neben anderen potenziellen Vorteilen.
Weitere Einzelheiten über die Technik und ihre Auswirkungen auf die Nematodenbekämpfung wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Molekulare und biochemische Parasitologie.
Mehr Informationen:
Thanuja Thekke-Veetil et al, Transient expression of a luciferase mRNA in plant-parasitic and free-living nematodes by electroporation, Molekulare und biochemische Parasitologie (2022). DOI: 10.1016/j.molbiopara.2022.111489