Saponine – Umweltfreundliche Pestizide
Pflanzen und Insekten interagieren bereits seit Millionen Jahren mit den früher entwickelten spezialisierten Verteidigungsmechanismen gegen Insektenfütterungsstrategien. Saponine sind Abwehrstoffe mit Detergens-ähnlichen Eigenschaften, die die Zellmembranen von pflanzenfressenden Schädlingen aufbrechen und den Zelltod verursachen können. Trotz des vielversprechenden Potenzials von Saponinen als Biopestizide ist wenig darüber bekannt, weshalb die chemischen Strukturen für bestimmte Schädlinge toxisch sind. Das EU-finanzierte Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium SSAR beleuchtete die Beziehung zwischen der chemischen Struktur von Saponin und der biologischen Aktivität. „Wir wollten die stärksten chemischen Saponinstrukturen für den Einsatz als Biopestizide ermitteln“, erklärt Projektkoordinator Prof. Søren Bak. Einblick in den Biosyntheseweg von Saponin In einem ersten Schritt nutzten die SSAR-Forscher die wilde Art der Barbarea vulgaris als Modellorganismus, der in diesem Bereich weit verbreitet ist, um die Evolution und Ökologie von Pflanzenabwehrstoffen zu untersuchen. Sie wählten mehrere Kandidatengene aus, um diejenigen zu identifizieren, die am Biosyntheseweg von Saponinen beteiligt sind. Unter Verwendung modernster Methoden wie der Wiederherstellung von Stoffwechselwegen in Tabakblättern, der enzymatischen Produktion in vitro und Fütterungsversuchen mit Insekten fanden die Wissenschaftler heraus, dass ein orthologes Cytochrom CYP72A eine beträchtliche Larvensterblichkeit verursacht. Die Forscher beobachteten, dass CYP72A Saponine an einer bestimmten Position modifiziert, was darauf hindeutet, dass eine einfache strukturelle Modifikation die Aktivität der Saponine stark erhöhen kann. Interessanterweise zeigte die Sequenzanalyse, dass sich dieses CYP72A durch Genduplikation nach der Artentrennung von Arabidopsis und Barbarea entwickelte und unter starkem Selektionsdruck stand. Diese Feststellung unterstreicht die Bedeutung der chemischen Veränderung in der Entwicklung der pflanzlichen Abwehr und wie Dr. Qing Liu – der leitende Forscher in dem Projekt – hervorhebt „wird dadurch gezeigt, dass die Entwicklung chemischer Neuerungen durch Genduplikation und -selektion ein Schlüsselfaktor für die Ernennung neuer Funktionen für Enzyme ist.“ Die Forscher stellten durch Metabolic Engineering der identifizierten Barbarea-Gene erfolgreich Saponine in Tabakpflanzen her, einer Pflanze, die von Natur aus keine Saponine produziert, und bewerteten die biologische Funktion der so erzeugten Saponine. Schließlich konnten sie mithilfe von Bioassays und einer Reihe von pflanzenfressenden Schadinsekten einen Teil der Struktur-Wirkungs-Beziehungen von Saponinen entschlüsseln und einen Einblick in den Abwehrmechanismus von Insekten geben. „Im Rahmen des SSAR-Projekts haben wir ein schnelles und leistungsfähiges System zur Bestimmung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen eingeführt, das die transiente Expression biosynthetischer Gene in Tabakblättern für die Herstellung von Abwehrstoffen und anschließende Fütterungsversuche mit Insekten nutzt“, betont Prof. Bak. Dieser Ansatz ist physiologisch relevanter, da die getesteten Abwehrstoffe in den Blättern erzeugt und gespeichert und nicht auf die Blattoberflächen aufgetragen werden. Darüber hinaus ist der Ansatz auch schneller, da er sich auf eine transiente Expression von Abwehrstoffen stützt. Im Vergleich zu der aufwändigen traditionellen Bewertung mit stabil transformierten Pflanzen benötigt dieses transiente System von der Inokulation der Gene bis hin zu den Bioassays mit Insekten nur weniger als eine Woche. Der Einfluss der Verwendung von Saponinen als Biopestizide Das SSAR-Projekt lieferte neue Erkenntnisse über Saponin-basierte Biopestizide mit umfassenden industriellen Anwendungsmöglichkeiten. Die zur Herstellung von bioaktiven Abwehrstoffen aus Pflanzen entwickelte Plattform kann generisch angewendet werden, um neue Biopestizide zu identifizieren, die als Alternative zu bestehenden Agrochemikalien verwendet werden können. Aus wissenschaftlicher Sicht wird die Identifizierung von Genen, die am Biosyntheseweg von Saponin beteiligt sind, auch die Möglichkeit eröffnen, Nutzpflanzen mit maßgeschneiderten Fähigkeiten zur Schädlingsabwehr auf Saponin-Basis zu entwickeln und zu züchten. Die SSAR-Ergebnisse werden demnächst in einer Fachzeitschrift veröffentlicht und hoffentlich zu mehr Fördermitteln führen. Im Hinblick auf die Zukunft glaubt Prof. Bak, dass „eine kontinuierliche Entdeckung neuer Biopestizide helfen wird, die Bedürfnisse der Gesellschaft nach einer nachhaltigeren Nahrungsmittelerzeugung zu erfüllen und die Bioökonomie zu unterstützen.“
Schlüsselbegriffe
SSAR, Saponin, Biopestizid, CYP72A, Struktur-Wirkungs-Beziehung, Fütterungsversuch, Barbarea vulgaris, Wiederherstellung von Stoffwechselwegen
