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Für eine nachhaltige Bioökonomie

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BOOST FUND Project PrimACs

Priming-Active Compounds for Plant Protection

© iStock

Um den Ertragsverlust bei Nutzpflanzen möglichst gering zu halten, besteht inzwischen ein großes Interesse an natürlichen oder naturnahen Substanzen, die einen effektiven und zugleich umwelt- und verbraucherfreundlichen Pflanzenschutz ermöglichen. Besonders vielversprechend sind chemische Stoffe, die nicht nur einen möglichen Schadorganismus bekämpfen, sondern auch das pflanzliche Immunsystem stärken und die Pflanze auf einen möglichen Befall vorbereiten. Im interdisziplinären Boost-Fund-Projekt „Priming-Active Compounds for Plant Protection“ (PrimACs) wurden solche Substanzen identifiziert.  

Die Entwicklung von Wirkstoffen hat in Deutschland eine lange Tradition und einen hohen Stellenwert. Sie hat in den vergangenen Jahrzehnten zur Vermarktung vieler Medikamente und Pestizide geführt, die einen wesentlichen Anteil am wirtschaft­lichen Erfolg der großen Pharma- und Agrarunternehmen haben. Zum Beispiel betrug der Inlandsumsatz des deutschen Pflanzenschutzmarktes im Jahr 2019 fast 1,2 Milliarden Euro. Trotz der großen Effektivität von Pestiziden gehen aber noch immer mindestens 40 Prozent des möglichen Nutzpflanzenertrags durch Krankheiten und umweltbedingten Stress, wie zum Beispiel Trockenheit, verloren. Dieser Ertragsverlust bei Nutzpflanzen stellt ein dringend zu lösendes Problem dar. Denn einerseits wächst nach wie vor die Weltbevölkerung und andererseits werden Pflanzen in zunehmenden Maße außer zur Nahrungsmittelproduktion auch zur Gewinnung von Energie und verschiedenen Produkten wie Fasern oder Inhaltsstoffen verwendet. Aufgrund der in Europa geringen Akzeptanz gentechnisch veränderter Pflanzen beim gleichzeitigen Wunsch nach einer umweltfreundlichen Landwirtschaft besteht inzwischen ein großes Interesse an natürlichen oder naturnahen Substanzen, die einen effektiven und nachhaltigen Pflanzenschutz ermöglichen.

Vorteile dualer Wirkstoffe
Natürliche oder naturnahe Substanzen sind im umweltfreundlichen Pflanzenschutz besonders erfolgreich, wenn sie nicht nur einen möglichen Krankheitserreger oder Schädling bekämpfen, sondern auch das pflanzliche Immunsystem stärken. So wird die Pflanze auf einen möglichen Befall durch Krankheitserreger oder Schadinsekten vorbereitet. Solche dual wirkenden Substanzen beeinflussen die Pflanzen ansonsten kaum. Sie wirken sich deshalb – im Gegensatz zu Substanzen, die pflanzliche Abwehrreaktionen direkt aktivieren – nicht ertragsmindernd aus. Hinzu kommt, dass Pflanzenpathogene und Schädlinge keine Resistenzen gegen dual wirkende Substanzen entwickeln können. Aus den genannten Gründen sind Wirkstoffe, die Krankheitserreger oder Schädlinge bekämpfen und gleichzeitig das pflanzliche Immunsystem stärken, die Verkaufsschlager der großen Pflanzenschutzunternehmen. Oft wurden Pflanzenschutzmittel aber ausschließlich aufgrund ihrer Giftwirkung gegen Krankheitserreger und Schädlinge entwickelt, sodass die immunstimulierende, die sogenannte primende Aktivität von dualen Wirkstoffen erst nach ihrer Markteinführung erkannt wurde. Die gezielte Optimierung als dualer Wirkstoff blieb bei der Produktentwicklung also aus. Diese Optimierung erfordert geeignete Testsysteme, die sich zum Erkennen der immunstimulierenden Aktivität von Substanzen eignen.

 
 
Das neuartige Miniatur-Testsystem (μRAMOS), mit dem die Bestimmung der Atmungsaktivität in jedem einzelnen Näpfchen einer Mikrotiterplatte möglich ist.
Copyright: AVT.BioVT, RWTH Aachen

Neue Substanzen gezielt finden
An diesem Bedarf setzt das Projekt PrimACs an. Ein bislang zum Auffinden „primender“ Substanzen erfolgreich eingesetztes Testsystem an der RWTH Aachen verwendet Suspensionszellen der Petersilie. Wenn diese „geprimt“ sind, geben sie nach Kontakt mit einem Pathogen mehr antimikrobielle Sekundärstoffe in ihr Kulturmedium ab, als es bei „ungeprimten“ Zellen der Fall ist. Weil die Sekundärstoffe im ultravioletten Licht fluoreszieren, lassen sie sich leicht nachweisen und quantifizieren. Das Petersilie-Testsystem hat sich bei der Suche nach „primenden“ Substanzen seit vielen Jahren in mehrfacher Hinsicht bewährt, zum Beispiel hinsichtlich Verlässlichkeit und Geschwindigkeit. Allerdings ist es auf die undifferenzierten Kulturzellen und auf die Petersilie beschränkt. Um „primende“ Substanzen mithilfe von intakten Pflanzen von verschiedenen Arten identifizieren zu können, schlossen sich Expertinnen und Experten unterschiedlicher Fachrichtungen aus der Universität Düsseldorf und der RWTH Aachen zusammen, um neue PrimACs zu identifizieren.

Das Forscherteam synthetisierte zunächst hinreichende Mengen von mehr als 50 neuen, funktionell und strukturell verschiedenartigen Substanzen in guter bis exzellenter Qualität. Zudem bezogen die Forschenden auch eine kommerzielle Substanzbibliothek in die Auswahl ein, sodass insgesamt 76 Substanzen auf ihre Fähigkeit getestet wurden, das „Priming“ in Pflanzen zu aktivieren. Dazu verwendeten die Kooperationspartner ein neuartiges Miniatur-Testsystem, das sogenannte µRAMOS, in welchem Keimlinge der Ackerschmalwand in Mikrotiterplatten angezogen wurden. Nach einer Behandlung der Keimlinge mit einer zu testenden Substanz diente die Atmung der Keimlinge als Auswahlkriterium, weil sich diese bei der Aktivierung des „Primings“ erhöht. Mit dieser Vorgehensweise wurden acht Sub­stanzen als neue PrimACs identifiziert.

 
 
Keimlinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in einer Mikrotiterplatte
Copyright: Institut für Pflanzenphysiologie, RWTH Aachen

Zu ihnen gehörten der vom interdisziplinären Team synthetisierte 1-(3,4-Dihydroxyphenyl)-2-Oxocyclopentan-1-Carbosäuremethylester, kurz Tyr020 genannt, und einige andere Tyr-Derivate. Die „primende“ Funktionsweise der neu identifizierten PrimACs wurde nachfolgend im Labor in einschlägigen biochemisch-molekularbiologischen Analysen untersucht. Dazu gehörte die Analyse der Aktivität von Eiweißmolekülen und Genen, die für die Abwehr von Krankheiten in Pflanzen wichtig sind. Die Analysen ergaben, dass eine Behandlung von Keimlingen der Ackerschmalwand mit den neu identifizierten PrimACs dazu führt, dass Abwehr-Gene bei einem nachfolgenden Kontakt mit Krankheitserregern stärker aktiviert werden, als es in „ungeprimten“ Pflanzen der Fall ist. Damit war die „primende“ Wirkung der neu aufgefundenen PrimACs bestätigt.

 
 
Die chemische Struktur der neu identifizierten PrimAC mit der Bezeichnung 1-(3,4-Dihydroxyphenyl)-2-Oxocyclopentan- 1-Carbosäuremethylester (Deckname Tyr020)
Copyright: IBOC, HHU Düsseldorf

Erfolgreiche Tests im Gewächshaus
Im Folgenden hat das Konsortium die sechs vielversprechendsten PrimACs an ein großes Agrarunternehmen übergeben, bei dem die Substanzen in einschlägigen Gewächshaustests auf ihre Eignung für den angewandten Pflanzenschutz überprüft wurden. Dabei zeigte sich, dass insbesondere Tyr020 beispielsweise der Gurke einen guten Schutz vor der sogenannten Brennfleckenkrankheit verlieh. Zwar schützte Tyr020 die Gurke und andere Testpflanzen nicht ausreichend vor weiteren Krankheiten und die Wirkung der anderen PrimACs war insgesamt zu gering, um daraus ein marktfähiges Pflanzenschutzmittel zu entwerfen. Dennoch steht mit der entwickelten Methodik ein neuer und vielversprechender Ansatz zur Verfügung, um neue Wirkstoffe für den Pflanzenschutz zu identifizieren.

 

Projektleiter

Prof. Dr. Uwe Conrath, Co-PI: Dr. apl. Prof. Ulrich Schaffrath
ABBt - Pflanzenphysiologie, RWTH Aachen
Email

 

Beteiligte Core Groups

Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs
AVT - Bioverfahrenstechnik, RWTH Aachen

Prof. Dr. Jörg Pietruszka
Institut für Bioorganische Chemie, HHU Düsseldorf

Prof. Dr. Uwe Conrath
ABBt - Pflanzenphysiologie, RWTH Aachen

 

Projektlaufzeit

01.11.2015 – 31.10.2017

 

Förderung

Das Gesamtbudget von PrimACs betrug 592.740,00 €. PrimACs ist Teil des NRW-Strategieprojekt BioSC und gefördert vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen.

 

Publikationen

Worgull, D, Öhler, L, Strache, JP, Friedrichs, T, and Ullrich, P (2017) Enantioselective synthesisof 2,3-dihydrofurans via ammonium ylides. Eur J Org Chem, 6077-6080.