Pflanzenkrankheiten und Schädlinge verursachen erhebliche Ernteverluste und bedrohen die globale Ernährungssicherheit. Die Krankheiten und Schädlinge werden traditionell mit chemischen Pestiziden bekämpft, die sich in unserer Umwelt verbreiten und für die menschliche Gesundheit, nützliche Organismen und die Umwelt gefährlich sein können. Weltweit suchen Wissenschaftler Wege, um Pflanzen zu schützen und damit den Einsatz von Pestiziden zu verringern oder gar ganz zu vermeiden. Ein neues Kooperationsprojekt zwischen der Universität Helsinki und dem Französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) beispielsweise, arbeitet an der Entwicklung und Verbesserung von umweltfreundlichen RNA-basierten Impfstoffen, die Pflanzen vor Krankheiten und Schädlingen schützen könnten. Ein neuer Ansatz zum Pflanzenschutz bestehe darin, Pflanzen gegen Krankheitserreger mit doppelsträngigen RNA-Molekülen zu impfen. Diese Impfung könne durch ein Aufsprühen des Impfstoffes auf die Blätter durchgeführt werden, so Dr. Minna Poranen vom Forschungsprogramm Molekulare und Integrative Biowissenschaften an der Fakultät für Biologie und Umwelt der Universität Helsinki. Dabei nutzen die Wissenschaftler die sogenannte Diffusion. Wenn eine Flüssigkeit auf eine Blattoberfläche kommt, dann wird sie passiv in das Blatt eindringen, weil im Blatt eine geringere Konzentration vorliegt als draußen. Man nennt das einen Konzentrationsgradienten, und der treibt die Diffusion der Nährstoffe von der Oberfläche ins Blattinnere an. Der Weg der Impfstoffe führt von der höheren Konzentration außen zur niedrigeren Konzentration innen, also ins Blatt hinein. Diesen Prozess nutzen Landwirte bei der sogenannten Blattdüngung.
Der Impfstoff löst einen Mechanismus aus, der als RNA-Interferenz bekannt ist. Dies ist ein angeborener Abwehrmechanismus von Pflanzen, Tieren und gegen Krankheitserreger. RNA ist auch ein häufiges Molekül in der Natur, das sich schnell abbaut, anstatt sich in der Umwelt aufzubauen. Dem Bericht der Wissenschaftler zufolge bestand die eigentliche Herausforderung bei der Entwicklung von RNA-basierten Impfstoffen zum Schutz von Pflanzen in der Produktion von RNA-Molekülen. Doppelsträngige RNA-Moleküle sind durch chemische Synthese sowohl als Arzneimittelmoleküle als auch für Forschungszwecke hergestellt worden, aber solche Produktionsverfahren sind für den Pflanzenschutz ineffizient und teuer.
Auf der linken Seite zwei Pflanzen, denen ein RNA-Impfstoff gegeben wurde. Auf der rechten Seite nicht geimpfte Pflanzen. Alle Pflanzen wurden dem gleichen Virus ausgesetzt. Foto: Institut de biologie moléculaire des plantes
Im Rahmen des Programms für synthetische Biologie der finnischen Akademie hat das Team um Minna Poranen nun eine neue Herstellungsmethode für doppelsträngige RNA-Moleküle entwickelt.
Dr. Minna Poranen vom Forschungsprogramm Molekulare und Integrative Biowissenschaften an der Fakultät für Biologie und Umwelt der Universität Helsinki
Zusammen mit den französischen Kollegen Forschern am CNRS konnte die Gruppe nun die Wirksamkeit von RNA-basierten Impfstoffen demonstrieren. Diese neue Methode wird die effektive Produktion von ermöglichen und die Entwicklung und Anwendung von RNA-basierten Pflanzenschutzmethoden fördern.