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25.10.2019

Wirkstoff lässt Pflanzen Trockenheit tolerieren

Anlass

Anhaltende Dürreperioden beeinträchtigen das Wachstum und damit die Ernte von Nutzpflanzen. Ein Wirkstoff soll nun helfen, die Trockentoleranz von Pflanzen zu erhöhen, indem er den Wasserverlust über die Blätter verhindert.

Nimmt die Verfügbarkeit von Wasser ab, schütten Pflanzen das Hormon Abscisinsäure (ABA) aus. Es führt in den Blättern dazu, dass die Spaltöffnungen geschlossen werden. Dabei handelt es sich um Poren, die hauptsächlich die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid (CO2) ermöglichen, das die Pflanze für die Photosynthese benötigt. Die präzise Regulation der Spaltöffnungen ist für die Pflanze essentiell, um die CO2-Aufnahme für die Energiegewinnung und den einhergehenden Wasserverlust optimal zu balancieren.

Wissenschaftler um Sean Cutler aus Kalifornien stellten im Labor einen synthetischen Wirkstoff her (Opabactin), der an dieselben Rezeptoren wie ABA bindet. Die Substanz weist jedoch eine höhere Affinität auf, die zu einer langanhaltenderen Wirkung führt. Sprühten die Wissenschaftler Opabactin auf Arabidopsis thaliana-Pflanzen (Ackerschmalwand), Weizen oder Tomaten, so transpirierten diese in den nachfolgenden Tagen weniger Wasser. Darüber hinaus konnten Pflanzen, die mit Opabactin vorbehandelt waren, auch eine nachfolgende Trockenphase von einigen Tagen mit weniger Verlusten überstehen.

Die Wissenschaftler argumentieren, dass man Opabactin bedarfsbedingt einsetzen könne, während die Genetik von gentechnisch veränderten Pflanzen in einer Anbausaison nicht dynamisch verändert werden könne. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht (siehe Primärquelle).

 

Übersicht

     

  • PD Dr. Rob Roelfsema, Arbeitsgruppenleiter am Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik - Botanik I, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
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  • Prof. Dr. Erwin Grill, Leiter Lehrstuhl für Botanik, Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Technische Universität München (TUM), München
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  • Prof. Dr. Dorothea Bartels, Leiterin des Instituts für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO), Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
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Statements

PD Dr. Rob Roelfsema

Arbeitsgruppenleiter am Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik - Botanik I, Julius-Maximilians-Universität Würzburg

„Dieses Papier beschreibt eine sehr elegante Studie, in der ein sehr potenter Agonist (Opabactin) (Agonisten sind Wirkstoffe, die an Rezeptoren binden und identische Effekte wie die natürlichen Liganden ausüben; Anm. d. Red.) des Stresshormons Abscisinsäure (ABA) synthetisiert wird. ABA wird in Pflanzen von einer Gruppe von PYR/PYL-Rezeptoren (Pyrabactin-Receptor und Pyrabactin-like Receptor; Anm. d. Red.) wahrgenommen und die Autoren zeigen, dass Opabactin im Vergleich zu ABA eine etwa zehnfach höhere Affinität für diese Rezeptoren aufweist. Darüber hinaus aktivierte Opabactin die meisten der PYR/PYL-Rezeptoren, während zuvor veröffentlichte ABA-Agonisten nur wenige dieser Rezeptoren betrafen. Darüber hinaus zeigen die Autoren, dass Opabactin auf Blätter gesprüht werden kann, um die Dürretoleranz von Arabidopsis thaliana(Ackerschmalwand, Anm. d. Red), Tomaten und Weizenpflanzen zu erhöhen. Es wird vermutet, dass Opabactin in der Landwirtschaft verwendet werden kann, um Pflanzen vor Austrocknung während Trockenperioden zu schützen.“

„Die Autoren zeigen in Wachstumskammerexperimenten mit Tomaten- und Weizenpflanzen, dass das Sprühen von Opabactin die Transpiration von Wasser über einen Zeitraum von fünf Tagen reduziert. Wenn Weizenpflanzen für drei Tage das Wasser entzogen wird, verlieren Opabactin-behandelte Pflanzen weniger Chlorophyll als die Kontrollen. Dies deutet darauf hin, dass Opabactin die Dürretoleranz von Pflanzen erhöhen kann. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes hängt jedoch von der angeborenen Fähigkeit der Pflanzen ab, auf ABA zu reagieren. Die Behandlung mit Opabactin wird bei Pflanzen mit geringer ABA-Reaktivität nicht sehr effektiv sein.“

„Wenn die Dürreperiode länger als fünf Tage andauert, muss die Behandlung höchstwahrscheinlich wiederholt werden. Es wurde allerdings noch nicht untersucht, ob eine zweite Behandlung erneut wirksam ist.“

„Ist die Dürreperiode kürzer als die fünf Tage, in denen Opabactin aktiv ist, bleiben die Spaltöffnungen in den Blättern geschlossen, auch wenn kein Wassermangel mehr vorherrscht. Bei geschlossenen Spaltöffnungen ist die Photosynthese beeinträchtigt, was zu einem geringeren Wachstum und Ertrag der Pflanzen führen wird.“

„In der Diskussion erwähnen die Autoren, dass es notwendig sei, toxikologische Untersuchungen und Regulierungsverfahren durchzuführen. Es ist noch nicht klar, ob Opabactin oder seine Abbauprodukte für Organismen außerhalb der Zielgruppe – einschließlich Säugetieren, Insekten und Pilzen – giftig sein kann. Es ist wahrscheinlich, dass Opabactin die Trockenheitsresistenz von Unkräutern erhöht, was wiederum Folgen für die Landwirtschaft haben kann.“

„Am wichtigsten ist, dass nun Feldversuche durchgeführt werden, um zu untersuchen, ob Opabactin tatsächlich ein nützliches Werkzeug in der Landwirtschaft ist. Es ist nicht klar, wie hoch die finanziellen Kosten der Opabactin-Anwendung sein würden und wie sich diese Kosten auf den Nutzen beziehen, den ein Landwirt erwarten kann.“

„Opabactin wird in der Studie zum ersten Mal beschrieben. Es werden keine Eigenschaften für diese Chemikalie vorgestellt, außer ihrer Bindung an ABA-Rezeptoren und ihrem Einfluss auf die Dürretoleranz bei drei Pflanzenarten. Die möglichen Auswirkungen dieser neuen Agrochemikalie auf die Umwelt sind daher schwer abzuschätzen.“

Prof. Dr. Erwin Grill

Leiter Lehrstuhl für Botanik, Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Technische Universität München (TUM), München

„Jede Pflanze besitzt die Fähigkeit der Anpassung bei Trockenheit. Das Pflanzenhormon Abscisinsäure spielt dabei die zentrale Rolle. Die Pflanze erkennt die Wasserknappheit und setzt Abscisinsäure frei. Diese wiederum führt dazu, dass sich die Spaltöffnungen der Blätter schließen und dadurch weniger Wasser an die Luft abgegeben wird.“

„Der in der Studie vorgestellte Wirkstoff Opabactin bindet wie Abscisinsäure an die Rezeptoren, die das Schließen der Spaltöffnungen auslösen. Opabactin ist noch wirksamer als das Phytohormon. Inwieweit der Wirkstoff in der Agrarwirtschaft mit Erfolg eingesetzt werden kann bleibt noch zu klären. Das Schließen der Spaltöffnungen führt auch zu einer geringeren CO2-Aufnahme, die aber die Grundlage für die Photosynthese ist. Damit gibt es einen klaren Zusammenhang zwischen Wasserverbrauch der Pflanze und Wachstum. Eine Opabactin-Anwendung führt zu einer geringeren Photosyntheseleistung und die Pflanze wächst am Ende langsamer, schont aber die Wasserreserve im Boden.“

„De facto aktiviert Opabactin eine natürliche Reaktion der Pflanze, die die Pflanze bei Trockenheit anschaltet. Der Vorteil besteht darin, dass man den Prozess gezielt und frühzeitiger anstoßen kann. Ein positiver Effekt der Anwendung könnte dann gegeben sein, wenn man genau weiß, dass eine Trockenperiode bevorsteht, und die Pflanze früher die Anpassungen an den Stress einleiten kann.“

„Die Frage, ob Opabactin im Feld wirklich was bringt, haben die Kollegen noch nicht beantwortet. Außerdem muss ein solcher im Labor identifizierter Wirkstoff ökotoxikologisch geprüft werden bevor er zur Anwendung kommen kann. Das bedarf eines langwierigen Zulassungsprozesses, der in der Regel viel Geld kostet.“

„Wirklich interessant bleibt zu klären, wie man zukünftig die Wassernutzungseffizienz der Pflanze verbessern kann. Pflanzen besitzen die Fähigkeit ihre Spaltöffnungen nur zu einem Teil zu schließen, so geht weniger Wasser verloren, aber gleichzeitig können sie hocheffizient CO2 aufnehmen. Damit kann die Pflanze auch mit geringerem Wasserbedarf ohne Einbuße wachsen, was in Feldern mit wachstumseinschränkender Wasserversorgung zu mehr Ertrag führen könnte [1][2].“

Prof. Dr. Dorothea Bartels

Leiterin des Instituts für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO), Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

„Die Entwicklung des Agonisten Opabactin (OP) ist eine äußerst interessante Entdeckung, die zu neuen Ansätzen bei der Bekämpfung von Trockenstress führen könnte. Die Entwicklung von OP ist faszinierend, weil man hier aufbauend auf genetischen und molekularen Kenntnissen einen zielgerichteten, strukturbiologischen Ansatz gewählt hat, um ein aktives Zielmolekül zu entwickeln und zu optimieren. Diesen Weg kann man mit der zielgerichteten Entwicklung von Medikamenten vergleichen.“

„Sollte OP oder verwandte Moleküle zur Anwendung kommen, wäre der Vorteil, dass man eine chemische Substanz zu bestimmten Zeitpunkten anwenden würde, und dass keine transgenen oder genetisch veränderte Pflanzen zum Einsatz kommen.“

„Die Entwicklung von OP ist Grundlagenforschung und bis es zur Anwendung von OP kommen kann, ist es noch ein langer Weg; hierzu werden verschiedene Aspekte unten erwähnt.“

„Eine Frage, die allerdings nicht im Manuskript diskutiert wird, ist die Frage nach der Stabilität von OP. Kann zum Beispiel das Energiespektrum des Sonnenlichts oder erhöhte Temperaturen, die häufig mit Trockenheit einhergehen, zum Abbau von OP beziehungsweise zur Instabilität des Moleküls führen?“

„Die physiologische Antwort der Pflanzen auf OP muss noch untersucht werden. Wie in der Arbeit mehrfach erwähnt, hat das natürlich vorkommende Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) – das Ausgangsmolekül für die Entwicklung von OP – multiple Wirkungen in verschiedenen Stadien der Pflanzenentwicklung. Daher sind weiterführende physiologische Studien notwendig, um die Auswirkungen von OP auf die Physiologie der Pflanze zu untersuchen. Ein wichtiger Aspekt, den es bei Getreidepflanzen wie Weizen oder Gerste noch zu untersuchen gilt, ist die Samenbildung. Bislang ist der Effekt von OP nur in bestimmten Entwicklungsstadien untersucht worden und nicht während des gesamten Lebenszyklus einer Pflanze. Die Notwendigkeit zu weiteren physiologischen Untersuchungen von OP wird in dem Artikel aber auch erwähnt.“

„Vergleicht man die Entwicklung von OP mit der Entwicklung von neuen Medikamenten in der pharmazeutischen Forschung, kann man sagen, dass ein neues Medikament entwickelt worden ist, dass aber die klinischen Studien noch ausstehen. Darüber hinaus können die Kosten zur Synthese von OP noch nicht angegeben werden.“

„Die Frage, ob OP direkt in der Landwirtschaft angewendet werden kann, kann zur Zeit nicht zuverlässig beantwortet werden. Es müssen zunächst die Fragen nach möglicher Toxizität durch Studien beantwortet werden. Das ‚verwandte‘ Molekül Abscisinsäure (ABA) kommt natürlicherweise in ganz geringen Mengen in Pflanzen vor und wir nehmen es täglich über die Nahrung in winzigen Mengen auf, ohne dass es für uns schädlich ist.“

„Zunächst einmal gibt es keine sehr offensichtlichen Risiken, aber wie die Autoren selber in dem Manuskript sagen, müssen toxikologische Assays und andere Studien durchgeführt werden, bevor eine Anwendung ins Auge gefasst werden kann.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Alle: Keine angegeben.

Primärquelle

Vaidya AS et al. (2019): Dynamic control of plant water use using designed ABA receptor agonists. Science. DOI: 10.1126/science.aaw8848.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Yang Z et al. (2016): Leveraging abscisic acid receptors for efficient water use in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci.;113(24):6791-6. DOI: 10.1073/pnas.1601954113.

[2] Yang Z et al. (2019): Abscisic Acid Receptors and Coreceptors Modulate Plant Water Use Efficiency and Water Productivity. Plant Physiol.;180(2):1066-1080. DOI: 10.1104/pp.18.01238.