Als Teil eines mehrgleisigen Ansatzes zur Verhinderung des Befalls durch die parasitäre Pflanze Striga hermonthica enträtseln Forscher die Rolle von Pflanzenhormonen, die als Strigolactone (SLs) bekannt sind. Ihre neuesten Forschungsergebnisse sind in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Getreidepflanzen setzen SLs frei, die die Pflanzenarchitektur regulieren und eine Rolle in anderen Prozessen spielen, die mit der Pflanzenentwicklung und der Stressreaktion zusammenhängen. Die von Pflanzenwurzeln freigesetzten SLs ziehen Mykorrhizapilze an, die Pflanzennährstoffe liefern. Aber Strigolactone induzieren auch die Keimung und Invasion durch die parasitäre Pflanze Striga, mit schwerwiegenden Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion, insbesondere auf die Getreideerträge in Afrika.
In einer wichtigen Entdeckung hat das Team kürzlich gezeigt, dass kanonische SLs die Pflanzenarchitektur in Reis nicht beeinflussen.
Die Forscher setzten die CRISPR/Cas9-Technologie ein, um Reislinien ohne kanonische SLs zu erzeugen, und verglichen sie mit Wildtyppflanzen. Die Spross- und Wurzelphänotypen unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Mutanten und dem Wildtyp, was darauf hindeutet, dass kanonische SLs keine Hauptregulatoren der Reisarchitektur sind.
„Zu wissen, welche SLs die Pflanzenarchitektur und andere Funktionen regulieren, wie z. B. die Etablierung einer Symbiose mit nützlichen Mykorrhizapilzen oder die Ermöglichung der Invasion durch parasitäre Wurzelpflanzen, wird es uns ermöglichen, ein Merkmal zu optimieren und zu manipulieren, ohne andere zu beeinträchtigen“, erklärt Jian You Wang, Postdoc in Al -Babilis Labor.
Die Forschung zeigte, dass kanonische SLs zu einer Symbiose mit Mykorrhizapilzen beitragen und eine wichtige Rolle bei der Stimulierung der Samenkeimung in wurzelparasitären Unkräutern spielen.
„Die Verringerung ihres Gehalts oder sogar das vollständige Ausschalten ihrer Biosynthese kann den durch Striga und andere wurzelparasitäre Pflanzen verursachten Schaden erheblich reduzieren, ohne schwerwiegende Veränderungen der Pflanzenarchitektur zu verursachen oder einen großen negativen Einfluss auf die Pflanzenmykorrhizierung zu haben“, sagt Wang.
Die Modulation des SL-Gehalts durch Geneditierung ist eine langfristige Lösung, aber die Anwendung spezifischer Inhibitoren der SL-Biosynthese kann viel schneller zu Getreidepflanzen führen, denen die kanonischen Strigolactone fehlen.
Das Team machte sich daran, Chemikalien zu identifizieren, die die kanonische SL-Biosynthese in Reis hemmen. Sie fanden heraus, dass ein chemischer Enzyminhibitor, TIS108, den Striga-Befall signifikant verringerte, ohne das Pflanzenwachstum oder den Getreideertrag zu beeinträchtigen.
Sie testeten auch die Wirkung von TIS108 auf Indica-Reis und Sorghum, beides Hauptkulturen in von Striga befallenen Regionen in Afrika. Wieder einmal beobachteten sie eine geringere Striga-Keimungsaktivität bei den Wurzelexsudaten, die aus behandelten Pflanzen isoliert wurden.
Laut Al-Babili stellt die direkte Anwendung von TIS108 sowie der Einsatz von Gen-Editierung vielversprechende Strategien dar, um die Bedrohung durch Striga und andere wurzelparasitäre Pflanzen für die globale Ernährungssicherheit zu mindern.
„Wir sind wirklich begeistert von dieser Entdeckung; sie könnte verwendet werden, um den Striga-Befall zu lindern und Hinweise für die SL-Biologie zu geben“, sagt er.
Die Gruppe untersucht nun die Wirkung von TIS108 auf Perlhirse mit dem Ziel, die Architektur dieser Getreideart zu verbessern und ihre Resistenz gegen Striga zu erhöhen.
Basierend auf ihrer Struktur werden SLs entweder als kanonisch oder nicht kanonisch klassifiziert. Das Verständnis der Rollen jeder dieser Unterfamilien ist wichtig für die Entwicklung von Striga-resistentem Getreide sowie für die technische Pflanzenarchitektur, sagt Justine Braguy, eine ehemalige Ph.D. Student in der Gruppe von Salim Al Babili, einem Weltexperten für Strigolacton- und Striga-Forschung.
Mehr Informationen:
Shinsaku Ito et al, Kanonische Strigolactone sind nicht die Hauptdeterminante der Bestockung, aber wichtige rhizosphärische Signale in Reis, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add1278. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1278