Wirksame und ökologisch verantwortungsvolle Unkrautbekämpfung
Viele Pflanzen, darunter auch Nutzpflanzen, verfügen über eine eigene chemische Abwehr, im Wesentlichen ein Arsenal zur Bekämpfung von Insekten, Pathogenen und benachbarten Arten. Diese chemischen Abwehrmechanismen können sehr vielfältig sein, Manchmal sind sie nur für eine einzige Art spezifisch. „Wir verstehen nicht, wie einige Pflanzenarten in der Lage sind, den chemischen Angriff von Unkräutern zu tolerieren. Deshalb wollten wir die molekularen Ziele von pflanzlichen Phytotoxinen aufdecken und die genetischen Komponenten ermitteln, die für die Toleranz gegenüber diesen Substanzen wesentlich sind“, kommentiert Claude Becker, Projektkoordinator von FEAR-SAP, das von der Ludwig-Maximilians-Universität in München durchgeführt wird. Becker und sein Team untersuchten Benzoxazinoide, eine Art chemischer Abwehrstoff, der von vielen Gräsern produziert wird, darunter auch von wichtigen Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Roggen. „Unser Ansatz war in diesem Bereich beispiellos. Die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen wurden aus biochemischer und ökologischer Sicht untersucht, aber nicht unter Anwendung genomischer und genetischer Methoden und nicht in Verbindung mit der Untersuchung des pflanzlichen Mikrobioms, das diese Wechselwirkungen aufnimmt“, sagt er.
Phytotoxine zum Schutz von Kulturpflanzen einsetzen
Im Rahmen von FEAR-SAP, das vom Europäischen Forschungsrat unterstützt wird, konzentrierte sich das Team auf zwei Hauptfragen: Was ist die molekulare Wirkungsweise der Benzoxazinoide, d. h. wie hemmen Benzoxazinoide das Pflanzenwachstum? Und wie gelingt es den Pflanzen, die diese Chemikalien erzeugen, ihrem eigenen Gift zu entgehen? Um Antworten zu finden, wurde eine Pflanze analysiert, die zwar Benzoxazinoiden ausgesetzt ist, diese aber nicht selbst produzieren kann. „Wir haben die genetische Modellpflanze Arabidopsis thaliana verwendet, für die es zahlreiche genetische Ressourcen gibt. Wir haben Hunderte natürlicher Akzessionen in verschiedenen Bodentypen sowie auf einem mit Benzoxazinoiden angereicherten Medium angebaut. Dann haben wir die Unterschiede in der Reaktion bewertet“, fügt Becker hinzu. FEAR-SAP erforschte außerdem die Auswirkungen von Benzoxazinoiden auf wurzelassoziierte Bakterien, da eine der Hypothesen lautete, dass Benzoxazinoide das Pflanzenwachstum durch Auswirkungen auf das Wurzelmikrobiom hemmen könnten. „In beiden Fällen haben wir quantitative Genetik angewandt, um die Gene zu ermitteln, die der Reaktion von Pflanzen oder Mikroorganismen zugrunde liegen.“
Umfassendes Spektrum an molekulargenetischen, genomischen und metagenomischen Analysen
Die Interaktion ist sehr komplex, und Becker weist darauf hin, dass unsere Fähigkeit, die Interaktionen vollständig nachzuvollziehen, durch die reduzierte Komplexität der Forschungsumgebung eingeschränkt wird. „Wir werden weitere Fortschritte in der Technologie und bei den Datenressourcen benötigen, um das gesamte Bild zu erfassen“, stellt er fest. „Groß angelegte Ansätze, die phänotypische, genomische, transkriptomische und genetische Daten umfassen – wie das Projekt FEAR-SAP – helfen uns, Teile dieser Komplexität zu entschlüsseln.“ FEAR-SAP hat festgestellt, dass der Genotyp der Pflanze eine entscheidende Rolle dabei spielt, wie die Pflanze auf Verbindungen reagiert, die von einem ihrer Nachbarn freigesetzt werden. Außerdem kann diese Verbindung sich auf dem kurzen Weg vom Spender zum Empfänger stark verändern. Das Team beginnt nun damit, seine Ergebnisse außerhalb des genetischen Modellsystems wiederzugeben. „Wir haben zudem benzoxazinoidfreien Weizen erzeugt, den wir derzeit für Feldversuche vermehren“, sagt er. Becker ist stolz darauf, dass es gelungen ist, genomische Ansätze im weiteren Sinne auf dieses Forschungsfeld anzuwenden und es damit für neue Disziplinen zu öffnen. „Die Frage der biochemischen Interaktionen zwischen Pflanzen bzw. Allelopathie, die seit mehr als einem Jahrhundert in einer relativ kleinen Nische der Biologie behandelt wird, wird hoffentlich für Forschende aus bisher nicht verwandten Disziplinen attraktiv werden“, schließt Becker.
Schlüsselbegriffe
FEAR-SAP, Unkrautbekämpfung, Kulturpflanzen, Benzoxazinoide, Molekulargenetik, Genomik, Metagenomikanalysen, benzoxazinoidfreier Weizen, Mais, Roggen
