Neue Strategie auf Salicylsäurebasis könnte Krankheitsresistenz mit Pflanzenwachstum in Einklang bringen

Forscher der University of Georgia haben einen vielversprechenden Ansatz zur Bewältigung einer seit langem bestehenden Herausforderung für Pflanzengenetiker identifiziert: das Gleichgewicht zwischen Krankheitsresistenz und Wachstum bei Pflanzen.

Der Durchbruch könnte dazu beitragen, Pflanzen in Zukunft vor Krankheiten zu schützen und gleichzeitig höhere Biomasseerträge zu fördern, um eine nachhaltige Nahrungsmittelversorgung für Mensch und Tier, die Produktion von Biokraftstoffen und Schnittholz und mehr zu unterstützen, heißt es in der neuen Studie. Das Papier ist veröffentlicht In Die Pflanzenzelle Zeitschrift.

„Die Bekämpfung von Krankheitserregern ist eine der größten Herausforderungen in der Landwirtschaft“, sagte CJ Tsai, korrespondierender Autor der Studie und Professor an der Warnell School of Forestry and Natural Resources der UGA und am Franklin College of Arts and Sciences. „Lösungen, die Krankheitsresistenz und Wachstum in Einklang bringen, sind dringend erforderlich, insbesondere angesichts des ständig steigenden Krankheitsdrucks aufgrund des Klimawandels.“

Salicylsäure erhöht die Krankheitsresistenz – bisher war das mit Kosten verbunden

Salicylsäure ist ein bekanntes Pflanzenhormon, das eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Krankheitsresistenz und der Toleranz gegenüber Stressfaktoren wie extremen Temperaturen spielt.

Erhöhte Salicylsäurespiegel hemmen jedoch typischerweise das Pflanzenwachstum, was die Umsetzung einer Salicylsäure-basierten Krankheitsbekämpfung in der Landwirtschaft erschwert. Frühere Studien, die versuchten, Pflanzen genetisch zu verändern, um die Säureproduktion zu steigern, stießen auf Hindernisse.

Vor einigen Jahren zeigten Mitglieder von Tsais Labor, dass Salicylsäure Auswirkungen auf Stress und Krankheitsresistenz bei Pappeln hat, ohne das Wachstum der Pflanze zu beeinträchtigen. Sie wandten dieselbe Strategie auf die Modellpflanze der neuen Studie, die Ackerschmalwand, an und schufen eine neue Version der Pflanze mit einem zusätzlichen Gen und einem erhöhten Salicylsäurespiegel.

Zunächst bemerkten die Forscher keinen großen Wachstumskompromiss.

„Wir dachten, der Kompromiss hing möglicherweise damit zusammen, wie der Anstieg der Salicylsäure manipuliert wurde“, sagte Tsai. „Dann hatten wir plötzlich eine Menge Pflanzen, die wirklich winzig waren. Wir wussten nicht, was los war. Wir führten über die Winterferien ein großes Experiment durch und dachten, wir würden eine Pause machen und unsere Pflanzen wachsen lassen.“ „

Nach ihrer Pause kehrten die Forscher wieder zu überdurchschnittlich kleinen Pflanzen zurück.

„Es war so frustrierend. Dann war ich an diesem kalten Januartag in meinem heißen Yoga-Studio und es hat mich einfach beeindruckt“, sagte Tsai. „Es hatte etwas mit dem Winter zu tun.“

Bei der Durchsicht ihrer Notizen stellten die Forscher einen Zusammenhang fest: kältere Temperaturen und kälteres (Leitungs-)Wasser für die Pflanzen führten typischerweise zu einem geringeren Pflanzenwachstum. In der vorliegenden Studie milderten die Forscher die Auswirkungen der Temperatur durch die Veränderung spezifischer kälteregulierter Gene, die an der Temperaturreaktion beteiligt sind.

Diese Gene tragen dazu bei, die Pflanze vor Stressfaktoren wie niedrigen Temperaturen oder Trockenheit zu schützen. Doch Tsai und ihr Team stellten fest, dass die kälteregulierten Gene negativ auf die Salicylsäure reagierten, die die Pflanze vor Krankheiten schützen soll. Durch die „Unterbrechung“ der Salicylsäure-Reaktionsfähigkeit dieser Gene konnten die Pflanzen auch bei erhöhten Säurewerten ein normales Wachstum aufrechterhalten.

„In vielen Fällen haben wir ein verbessertes Wachstum gesehen“, sagte Tsai.

Neue Technologien könnten es Landwirten ermöglichen, Pflanzen vor Schädlingen zu schützen, ohne das Wachstum zu beeinträchtigen

Diese Entdeckung könnte erhebliche Auswirkungen auf die Pflanzenproduktivität haben.

Es ist seit langem bekannt, dass Strategien auf Salicylsäurebasis die Resistenz gegen Schädlinge und Krankheitserreger erhöhen, praktische Anwendungen wurden jedoch durch die Verringerung des Ertrags behindert.

Diese Studie bietet eine Methode zur Trennung der Wachstumsunterdrückung von der Abwehrreaktion und öffnet die Tür für den Einsatz von Salicylsäure und kälteregulierten Genen in der Landwirtschaft, ohne den Ernteerfolg zu beeinträchtigen.

Das Team erweitert seine Forschung bereits, indem es den Ansatz an anderen Nutzpflanzen wie Luzerne, der „Königin der Futterpflanzen“, testet. Die Forscher werden die Fähigkeit der Pflanze testen, bei begrenzter Wasser- und Nährstoffversorgung zu wachsen. Im Erfolgsfall verspricht die Technologie die Erzeugung klimaresistenter Nutzpflanzen.

Zu den Co-Autoren des Artikels gehören María Ortega, Rhodesia Celoy, Francisco Chacon, Yinan Yuan, Liang-Jiao Xue, Saurabh Pandey, MaKenzie Drowns und Brian Kvitko.