Halle-Wittenberg, Germany
Sepetmber 22, 2020
Widespread fungal disease in plants can be controlled with a commercially available chemical that has been primarily used in medicine until now. This discovery was made by scientists from Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) and the University of the State of Paraná in Brazil. In a comprehensive experiment the team has uncovered a new metabolic pathway that can be disrupted with this chemical, thus preventing many known plant fungi from invading the host plant. The team reported on their study in the scientific journal "Phytopathology".
The fungus Colletotrichum graminicola is prevalent around the world. It infects maize, causing anthracnose, a disease that causes the plant’s leaves to turn yellow at first and then ultimately to succumb to toxins. The fungus multiplies through spores that initially land on the surface of the plant. There they find rather inhospitable conditions: a lack of most of the nutrients that fungi need to develop - in particular nitrogen. "The only option they have is to break down some of their own nitrogen-containing molecules, for instance purines, the building blocks of DNA or RNA," explains plant pathologist Professor Holger Deising from MLU.
The researchers on Deising’s team have found a way to impede this transitional phase which the fungus relies on. To do this, the team administered acetohydroxamic acid onto the plants, a substance also used to treat harmful bacteria in the human stomach, and which is known to inhibit the breakdown of urea. "The acid prevents the harmful fungi from penetrating into the plants and from becoming infectious," says Deising.
The team also tested whether the findings from C. graminicola and maize could be transferred to other plants and fungi. The acid was also found to be effective against numerous other pathogens which cause, for example, powdery mildew in cereal crops, late blight in potatoes, as well as corn and bean rust. "We have been able to develop a completely new approach to pathogen control that uses an existing active ingredient and thus can be quickly used commercially," says Deising.
The scientists conducted extensive experiments in order to come to their conclusions. They wanted to understand the molecular details of how the fungus manages to obtain nitrogen at the onset of the infection. First, they generated a series of random mutations in the genome of the fungus C. graminicola. "Then we inoculated the different fungal mutants onto the plants to see which ones were no longer infectious," says Deising. One of these mutants had a defect in the purine degradation pathway. In order to check whether the mutants’ failure to infect the plant was actually caused by a lack of nitrogen, the researchers then applied nitrogen to the plants. "Once nitrogen was added, even the harmless mutants became infectious again," says Deising. The team was able to induce the same defect they had observed in the mutants in wildtype fungi by applying acetohydroxamic acid because it blocks the purine degradation pathway, too.
The study was funded by Brazil’s Ministry of Education, the Brazilian National Council for Scientific and Technological Development, and within the framework of the international graduate school "AGRIPOLY" at MLU, which is financed by the European Social Fund (ESF).
Study: Benatto Perino E., Glienke C., Silva A. & Deising H. Molecular Characterization of the Purine Degradation Pathway Genes ALA1 and URE1 of the Maize Anthracnose Fungus Colletotrichum graminicola Identified Urease as a Novel Target for Plant Disease Control. Phytopthology (2020). doi: 10.1094/PHYTO-04-20-0114-R
Forschende finden neue Möglichkeit, um Pflanzen vor Pilzbefall zu schützen
Weitverbreitete Pilzschädlinge bei Pflanzen lassen sich mit einer handelsüblichen Chemikalie gezielt bekämpfen, die bislang vor allem in der Medizin eingesetzt wurde. Das haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Staatlichen Universität von Paraná in Brasilien herausgefunden. Mit Hilfe eines umfangreichen Experiments sind sie einem neuen Stoffwechselweg auf die Spur gekommen, der sich mit dieser Chemikalie gezielt stören lässt und so viele bekannte Pflanzenpilze am Eindringen in die Wirtspflanze hindert. Über die Studie berichtet das Team in der Fachzeitschrift "Phytopathology".
Der Pilz Colletotrichum graminicola ist weltweit verbreitet. Er befällt Mais und löst die sogenannte Blatt-Anthraknose aus, bei der die Blätter der Pflanzen zunächst vergilben und letztlich durch Gifte abgetötet werden. Der Pilz vermehrt sich über Sporen, die auf der Pflanzenoberfläche landen. Dort finden sie eher unwirtliche Bedingungen vor: Es fehlen die meisten Nährstoffe, die die Pilze für ihre Entwicklung brauchen, vor allem Stickstoff. "So bleibt ihnen nur, einen Teil ihrer eigenen stickstoffhaltigen Moleküle abzubauen, zum Beispiel Bausteine der DNA oder RNA, die sogenannten Purine", sagt der Pflanzenpathologe Prof. Dr. Holger Deising von der MLU.
Die Forscherinnen und Forscher um Deising haben einen Weg gefunden, diese für den Pilz wichtige Überbrückungsphase zu behindern. Hierfür gab das Team Acetohydroxamsäure auf die Pflanzen, die unter anderem zur Behandlung von schädlichen Keimen im menschlichen Magen genutzt wird und von der bekannt ist, dass sie den Abbau von Harnstoff behindern kann. "Die Säure verhindert, dass die eigentlich schädlichen Pilze in die Pflanzen einwachsen und infektiös werden können", so Deising.
Das Team testete zudem, ob sich die Erkenntnisse von C. graminicola und Mais auf andere Pflanzen und Pilze übertragen lassen. Und in der Tat: Die Säure wirkte auch gegen zahlreiche andere Krankheitserreger, zum Beispiel den Echten Mehltau der Getreide, den Erregern der Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel und gegen Mais- und Ackerbohnenrost. "Mit unserer Arbeit haben wir einen völlig neuen Ansatz für die Pathogenbekämpfung entwickelt, der auf einen bereits vorhandenen Wirkstoff zurückgreift und schnell zur Marktreife geführt werden kann", sagt Deising.
Um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen, führten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler umfangreiche Experimente durch. Sie wollten die molekularen Grundlagen dafür verstehen, wie der Pilz zu Beginn einer Infektion an Stickstoff gelangt. Dafür erzeugten sie zunächst eine Reihe von zufälligen Mutationen im Erbgut der Pilze. "Wir haben die verschiedenen Pilz-Mutanten dann jeweils auf die Pflanzen gesetzt und beobachtet, welche davon nicht mehr infektiös waren", so Deising. Eine dieser Mutanten hatte einen Defekt im Purin-Abbauweg. Um zu überprüfen, ob für den Infektionsdefekt der Mutanten tatsächlich fehlender Stickstoff verantwortlich war, gaben die Forscher diesen anschließend zusätzlich auf die Pflanzen. "Mit dem zusätzlichen Stickstoff waren auch die harmlosen Mutanten wieder infektiös", sagt Deising. Das Team konnte den gleichen Infektionsdefekt bei normalen Pilzen mit Hilfe von Acetohydroxamsäure erzeugen, weil diese auch den Purin-Abbauweg blockiert.
Die Studie wurde vom brasilianischen Bildungsministerium, dem brasilianischen Nationalrat für Forschungsförderung und im Rahmen der durch den Europäischen Sozialfonds (ESF) unterstützten internationalen Graduiertenschule "AGRIPOLY" an der MLU gefördert.
Originalpublikation:
Benatto Perino E., Glienke C., Silva A. & Deising H. Molecular Characterization of the Purine Degradation Pathway Genes ALA1 and URE1 of the Maize Anthracnose Fungus Colletotrichum graminicola Identified Urease as a Novel Target for Plant Disease Control. Phytopthology (2020). doi: 10.1094/PHYTO-04-20-0114-R
https://doi.org/10.1094/PHYTO-04-20-0114-R
Topics
Species
