Abb. 1: Konzeptionelle Darstellung der greenRelease-Technologie als Mittel zur Reduktion von kupferhaltigen Fungiziden, um somit zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft beizutragen. In Mikrogelen eingebundene Kupferionen können über einen langen Zeitraum gezielt freigesetzt werden, um pilzliche Pathogene abzuwehren. Abb. 1: Konzeptionelle Darstellung der greenRelease-Technologie als Mittel zur Reduktion von kupferhaltigen Fungiziden, um somit zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft beizutragen. In Mikrogelen eingebundene Kupferionen können über einen langen Zeitraum gezielt freigesetzt werden, um pilzliche Pathogene abzuwehren.

Das Hauptziel des Entwicklungsbereichs “Validation for Sustainable Agriculture“ war es, herauszufinden ob sich die greenRelease-Technologie für die Implementierung von Fungi- sowie Herbiziden eignet (AGs Noga/Lüdeling, AG Conrath, AG Groth). Damit sichergestellt werden kann, dass die greenRelease-Technologie die Anwendung verschiedener Substanzen nachhaltig verbessern kann, wurde die Wirkung gegen ausgewählte Pflanzenpathogene sowie Beikräuter in Gewächshaus- und Freilandversuchen untersucht. Genauer wurde die schützende Wirkung von in Mikrogelen verkapselten Kupferionen und die gezielte Freisetzung von Herbiziden untersucht.

Zunächst wurde die Anbindung der Mikrogele, die mit geeigneten Ankerpeptiden funktionalisiert wurden, auf Apfel- und Zuckerrübenblättern untersucht. Mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie konnte die Anbindung des grün fluoreszierenden eGFPs, welches an die Ankerpeptide gekoppelt ist, bestätigt werden. Die Versuche konnten somit nachweisen, dass sowohl die mit eGFP fusionierten Ankerpeptide, als auch die mit Ankerpeptiden dekorierten Mikrogele, eine starke Anbindung an die Oberfläche von Zuckerrübenblättern zeigen. Diese Anbindung ist darüber hinaus regenfest (Abb. 2). Des Weiteren wurde mittels Environmental scanning electron microscopy (ESEM) gezeigt, dass sich die Mikrogele nach einer Sprühapplikation in einer homogenen Lage auf der Blattoberfläche verteilen. Weitere Analysen konnten bestätigen, dass diese Applikation weder einen Einfluss auf die photosynthetische Aktivität ausübt noch, dass langfristig phytotoxische Effekte hervorgerufen werden. Auch das Wachstum der behandelten Blätter wurde nicht beeinflusst. Zukünftig werden diese Analysen auch für weitere Nutzpflanzen durchgeführt, da sich die Zusammensetzung und Struktur der epikutikulären Wachse zwischen unterschiedlichen Pflanzen deutlich unterscheidet. Daher könnte die Anbindung sowie Verteilung von Mikrogelen auf anderen Nutzpflanzen leicht abweichen (Abb. 2).

In einem nächsten Schritt wurde die schützende Wirkung der greenRelease-Technologie untersucht. Die Wirkung wurde sowohl mittels artifizieller Inokulation im Gewächshaus als auch unter natürlichen Bedingungen in Feldversuchen bestätigt. Es zeigte sich, dass eine Behandlung von Zuckerrübenpflanzen mit Kupfer beladenen Mikrogelen dazu führt, dass die Symptomausprägung der Cercospora-Blattfleckenkrankheit (verursacht durch Cercospora beticola) deutlich reduziert wird. Zudem wurde der Befall mit Apfelschorf an Apfelbäumen (verursacht durch Venturia inaequalis) nach einer Behandlung mit Kupfer beladenen Mikrogelen stark vermindert. Unter kontrollierten Bedingungen reichte bereits sehr geringe Kupferkonzentrationen aus, um einen Befall mit C. beticola zu verhindern (Abb. 3A). Interessanterweise vermittelten die mit Kupfer beladenen Mikrogele oft einen besseren Schutz als das kommerzielle Referenzprodukte, vor allem dann, wenn Niederschläge simuliert wurden, die ein Abwaschen der Fungizide zur Folge haben. Bei den Versuchen mit Apfel schützten die mit Kupfer beladenen Mikrogele bei sehr geringen Kupferkonzentrationen sowohl unter kontrollierten Bedingungen als auch in Freilandversuchen besser vor einer Infektion mit V. inaequalis als die eingesetzten kommerziellen Produkte. Vor allem die Freilandversuche in der Apfelbaumplantage, welche durch die Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen durchgeführt wurden, konnten eindrucksvoll bestätigt werden, dass der Einsatz der greenRelease-Technologie zukünftig dabei helfen kann, den Gesamtkupfereintrag pro Saison stark zu reduzieren (0,7 kg Cu²⁺/ha*a; entspricht einer Reduktion um den Faktor 3).

Beteiligte Core Groups

Prof. U. Conrath
Dr. C. Langenbach
Dr. P. Schwinges
Institute of Plant Physiology
RWTH Aachen University

Prof. G. Groth
Dr. A. Hofmann
Biochemical Plant Physiology
HHU Düsseldorf Bioinformatics
HHU Düsseldorf

Prof. E. Lüdeling
Prof. Dr. G. Noga
Dr. Shyam Pariyar
INRES-Horticultural Sciences
Universität Bonn