Schadpilze verursachen enorme landwirtschaftliche Verluste. Herkömmliche Techniken zu ihrer Bekämpfung beinhalten die Verwendung von giftigen Fungiziden. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben zusammen mit Partnern aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz im Projekt DialogProTec umweltfreundliche Alternativen entwickelt, die die chemische Kommunikation der Krankheitserreger mit Pflanzen austricksen. Nach Abschluss der Forschung ist die neue Technologie nun einsatzbereit.
Zuerst verfärben sich die Blätter braun, dann stirbt die gesamte Weinrebe ab. Eine Pilzinfektion namens Esca ist eine Bedrohung für die Weinproduktion in Europa und verursacht jedes Jahr Schäden in Millionenhöhe bei Winzern. „Diese Krankheit ist in Südeuropa seit dem Mittelalter bekannt, spielte aber nie eine große Rolle“, sagt Dr. Alexandra Wolf vom Botanischen Institut des KIT, das das Projekt DialogProTec koordiniert. „Aber wegen des Klimawandels trifft der Pilz jetzt auf viele Pflanzen, die durch Klimastress geschwächt sind.“
Konventioneller Pflanzenschutz beinhaltet in der Regel den Einsatz von giftigen Fungiziden zur Bekämpfung von Pilzkrankheiten wie Esca. Mit DialogProTec haben die Forscher einen völlig neuen Ansatz entwickelt, der ohne umweltgefährdende Giftstoffe auskommt. „In der Natur interagieren Organismen über chemische Signale. Wir konnten einige der Signale zwischen Wirt und Erreger identifizieren und manipulieren“, sagt Wolf, der ergänzt, dass dieser „Biohack“ präzise und effektiv sei und das auch getan habe einen minimalen ökologischen Fußabdruck.
Zur Entwicklung der neuen Methoden gründete das KIT-Projekt ein interdisziplinäres Forschungsnetzwerk mit Spezialisten aus Botanik, Pilzgenetik, Mikrosystemtechnik, organischer Chemie und Agrarwissenschaften. Das Netzwerk nutzte etwa 20.000 Pilzstämme aus der Sammlung des Instituts für Biotechnologie und Arzneimittelforschung (IBFW) in Kaiserslautern und etwa 6.000 Pflanzenarten des KIT.
Signalstoffen mit Hightech auf der Spur
Die Forscher mussten nicht mit ganzen Pflanzen und Pilzen arbeiten, um die richtigen Signale zu identifizieren und auszunutzen. Stattdessen arbeiteten sie mit einzelnen Zellen. Als Basis für ein Miniatur-Ökosystem diente ein gemeinsam mit dem Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT entwickelter Mikrofluidik-Chip. „Wir haben Pflanzen- und Pilzzellen auf wenige Quadratzentimeter große Chips platziert, damit sie nicht in physischen Kontakt kommen, aber über einen mikrofluidischen Strom chemisch interagieren können“, sagt Christian Metzger vom Botanischen Institut des KIT.
„Um dieses Zusammenspiel sichtbar zu machen, haben wir das Erbgut in den Pflanzenzellen mit einem Genschalter und einem Fluoreszenzgen ausgestattet. Immer wenn ein chemisches Signal das Immunsystem aktiviert, können wir die grüne Fluoreszenz messen.“ Die Genschalter stammen von Wildreben, bei denen die Forscher zuvor eine besonders aktive Immunantwort festgestellt hatten.
Pflanzenimpfung testbereit
Bei ihren Untersuchungen entschlüsselten die Forscher zunächst die chemische Kommunikation zwischen Pilz und Pflanze, die mit einem Pilzbefall einhergeht. Unter anderem identifizierten sie Signalstoffe, mit denen der Pilz die Immunantwort der Pflanze unterdrückt. „Sie sind Teil eines durch einen langen Evolutionsprozess geprägten chemischen Zusammenspiels und werden produziert, sobald der Pilz bestimmte Stresssignale der Pflanze wahrnimmt“, erklärt Professor Peter Nick, Leiter des Projekts und des Botanischen Instituts. Das Team identifizierte dann Moleküle, die zur Reaktivierung der Immunantwort verwendet werden könnten. „Wenn wir sie zum Pflanzenschutz einsetzen, können die Pflanzen den Pilz oft abwehren. Man kann sich das wie eine Impfung für Pflanzen vorstellen“, sagt Nick.
Die innovative Technologie von DialogProTec ist bereits auf dem Weg in den praktischen Einsatz und soll demnächst im Feld erprobt werden. Neben der Arbeit an einer Alternative zu Fungiziden hat das Projektteam auch neue Ansätze zur Förderung des Pflanzenwachstums oder zur Unkrautbekämpfung entwickelt, bei denen Signalstoffe künftig auch giftige Herbizide ersetzen könnten.