Eine neue Tür zu umweltfreundlichen Pestiziden: Ein neuer Fungizidtyp, der „Reiskrebs tötet“, ist geboren!

Reisbrand, auch als „Reiskrebs“ bekannt, ist eine verheerende Pilzkrankheit, die in meinem Land jedes Jahr zu Getreideverlusten von 3 Milliarden Kilogramm führt. Es schränkt die stabilen, hohen und hohen Erträge der Grundnahrungsmittel meines Landes ernsthaft ein und bedroht die Ernährungssicherheit meines Landes.

Um die Reisbräune zu besiegen, kämpfte Professor Zhang Zhengguang vom College of Plant Protection der Nanjing Agricultural University mit seinem Team fast 30 Jahre lang gegen den Erreger. Am 26. Februar 2024 veröffentlichten das Team von Zhang Zhengguang und das Team von Professor Xing Weiman von der Shanghai Normal University ihre neuesten Forschungsergebnisse in Nature Plants.

Sie entdeckten den konservierten toxischen Effektor MoErs1, der nur im Reisbrandpilz vorkommt, und deckten seinen Mechanismus zur Hemmung der Immunität des Wirts auf. Die auf Grundlage dieses Mechanismus entwickelten Diphenyletheresterverbindungen weisen eine signifikante vorbeugende Wirkung gegen Reisbrand auf. Diese Studie war die erste in China und im Ausland, die ein neues Konzept zur Entwicklung von Fungiziden vorschlug, die auf die konservativen Effektoren des Reisbrandpilzes abzielen.

Die Gutachter der Arbeiten waren sich einig, dass ihre Arbeit höchst innovativ sei. Diese Forschung hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Strategien zur Bekämpfung von Krankheiten in den Bereichen Pflanzen-Mikroben-Interaktionen, Pflanzen und Landwirtschaft.

**Eine Herausforderung für den gesunden Menschenverstand: ** Werden Effektoren neue Ziele sein?

Reis ist das wichtigste Nahrungsmittel in meinem Land und seine Anbaufläche macht etwa 30 % der gesamten Nahrungsmittelanbaufläche meines Landes aus. Zhang Zhengguang, Co-Autor des Artikels, sagte, dass die durch Reisbrandpilze verursachte Reisbrandkrankheit in schweren Fällen zu einer Verringerung der Reisproduktion um 40 bis 50 % oder sogar zu einem vollständigen Verlust der Reisernte führen kann, was die stabile, hohe und qualitativ hochwertige Reisernte in meinem Land ernsthaft einschränkt. Derzeit sind der Einsatz von Fungiziden und die Verwendung krankheitsresistenter Sorten die wichtigsten Mittel zur Vorbeugung und Bekämpfung der Reisbräune.

Allerdings ist die Anzahl der molekularen Fungizidziele, die zur Herstellung umweltfreundlicher Pestizide verwendet werden können, sehr begrenzt. Statistiken des International Fungicide Resistance Action Committee (FRAC) zufolge gibt es bislang nur mehr als 20 Ziele, die für die Fungizidentwicklung genutzt werden können. Die meisten Fungizide werden für dasselbe Ziel entwickelt und 60 % der weltweit weit verbreiteten Fungizide zielen nur auf drei Ziele ab.

Bei den meisten der derzeit verwendeten Fungizid-Ziele handelt es sich um Gene, die für das Wachstum und die Entwicklung von Krankheitserregern von wesentlicher Bedeutung sind. Die von diesen Genen exprimierten Proteine ​​steuern oft wichtige physiologische und biochemische Prozesse für das Überleben von Krankheitserregern. Einmal zerstört, können die Krankheitserreger selbst nicht überleben.

Zhang Zhengguang erklärte, dass die begrenzte Anzahl an Zielen dazu geführt habe, dass die vorhandenen Medikamente nur ein einziges Ziel und eine starke strukturelle Homogenität hätten. Wenn die Schlüsselgene des Erregers mutieren, kann dies zum Verlust der Arzneimittelwirkung führen, sodass das Risiko einer Arzneimittelresistenz enorm ist.

Beispielsweise wirken Fungizide möglicherweise nur auf bestimmte biologische Prozesse und Krankheitserreger können durch Mutationen in einem einzigen Mechanismus leicht Resistenzen entwickeln. Darüber hinaus wird ein Ziel durch mehrere verschiedene Fungizide angegriffen und Krankheitserreger können durch Mutation des Ziels gegen mehrere Fungizide gleichzeitig resistent werden, wodurch das Risiko einer Resistenzentwicklung steigt.

„Daher ist zu erwarten, dass eine eingehende Analyse des molekularen Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Reisbrandpilz und Reis, die Erforschung neuer Fungizidziele und die Entwicklung umweltfreundlicher, effizienter und wenig toxischer Fungizide neue Strategien für die umweltfreundliche Vorbeugung und Bekämpfung des Reisbrands hervorbringen wird“, sagte Zhang Zhengguang.

Im Rahmen einer Langzeitforschung entdeckte das Team um Zhang Zhengguang, dass Effektorproteine ​​eine notwendige „Waffe“ sind, die von Krankheitserregern an die Wirtspflanze Reis abgegeben werden, um die Immunität des Wirts zu unterdrücken und eine Infektion mit Krankheitserregern zu fördern.

Während der langfristigen Interaktion zwischen Pflanzen und Krankheitserregern verlassen sich Pflanzen auf Mustererkennungsrezeptoren auf der Zellmembran, um pathogenbezogene Mustermoleküle wahrzunehmen und PTI-Immunreaktionen auszulösen. Um die PTI-Immunantwort des Wirts zu unterdrücken, scheiden Krankheitserreger eine große Anzahl von Effektoren in die Wirtszellen aus, zielen auf wichtige Immunkomponenten im Wirt, hemmen die PTI-Immunantwort und verursachen Anfälligkeit.

Als Reaktion auf die durch Effektoren ausgelöste Anfälligkeit entwickelten Pflanzen nach und nach krankheitsresistente Proteine, die Effektoren spezifisch erkennen und dadurch eine stärkere ETI-Immunantwort auslösen. Die ETI des Wirtes übt einen extrem starken Selektionsdruck auf Krankheitserreger aus. Um zu überleben und die Wirtspflanze zu besiedeln, mutieren und entwickeln sich die Effektoren des Pathogens weiter, wodurch sie der Erkennung durch die Krankheitsresistenzproteine ​​des Wirts entgehen und die ETI-Immunantwort des Reises umgehen. Dies ist auch der Grund, warum die Resistenzen resistenter Sorten leicht überwunden werden können.

Dies zeigt, dass die meisten Effektoren nicht konservativ sind und zu Schwankungen neigen. Daher gibt es keinen Präzedenzfall für die Entwicklung von Fungiziden, die auf Effektoren abzielen.

Das Team von Zhang Zhengguang lässt sich nicht durch gesunden Menschenverstand einschränken. „Da Effektoren im Infektionsprozess von Krankheitserregern so wichtig sind, können wir neue Fungizide gegen Reisbrand entwickeln, indem wir konservierte Effektoren angreifen?“ Im Jahr 2013 übernahm Liu Muxing, einer der Erstautoren des Artikels und außerordentlicher Professor am College of Plant Protection der Nanjing Agricultural University, die Aufgabe, neue Angriffspunkte für Fungizide zu finden.

Zehn Jahre, um das Geheimnis der Effektoren zu lüften

„Tatsächlich ist es nicht einfach, die Funktion des Effektors MoErs1 zu analysieren“, sagte Liu Muxing.

Die Sekretion eukaryotischer Proteine ​​hängt hauptsächlich vom Vesikeltransportprozess ab, und das Gleiche gilt für die Sekretion pathogener Effektoren. Wenn die Gene, die mit der Regulierung des Vesikeltransports in Zusammenhang stehen, ausgeschaltet werden, wird der Prozess der Pathogensekretion von Effektoren unterbrochen und es kommt nicht zu einer Infektion des Reises.

Das Team von Zhang Zhengguang hat umfangreiche Arbeit zum Vesikeltransportprozess des Reisbrandpilzes geleistet und Effektoren entdeckt, deren Sekretion durch den Vesikeltransport mittels extrazellulärer Proteomik reguliert wird. Um die toxischen Effektoren zu finden, die für die Krankheitsverursachung des Erregers erforderlich sind, schalteten sie die identifizierten Effektor-kodierenden Gene nacheinander aus und stellten schließlich fest, dass der Verlust eines Effektors namens MoErs1 den Infektionsprozess des Erregers unterbrechen konnte. Sie erkannten, dass dies ein sehr wichtiger Effektor war und einen Durchbruch in ihrer Forschung darstellen könnte.

Bereits 2015 hatte ihr Team den Effektor MoErs1 identifiziert. „Da es in seiner Sequenz jedoch keine speziellen Funktionsdomänen gibt, konnten wir seine spezifische Funktion nicht herausfinden.“

In den nächsten acht Jahren führte das Team von Zhang Zhengguang die Analysearbeit Schritt für Schritt durch. „Eigentlich gibt es keine besonders schockierende oder interessante Geschichte. Es ist ein Werk, an dem wir hart gearbeitet und in das wir viel Zeit investiert haben“, sagte Liu Muxing. Um die Funktion des Effektors MoErs1 weiter zu untersuchen und sein Geheimnis zu lüften, analysierten sie zunächst seinen Polymorphismus und fanden heraus, dass in den Hunderten von physiologischen Rassen des Reisbrandpilzes, die aus der ganzen Welt sequenziert worden waren, kein Polymorphismus vorlag, was darauf hindeutet, dass er sehr konservativ und nicht anfällig für Mutationen ist. „Dieser konservative Ansatz bestimmt auch seine Bedeutung im pathogenen Prozess des Reisbrandpilzes“, sagte Liu Muxing.

Da die Sequenz keiner bestimmten Funktion entsprach, konnten sie nur einen Weg finden, die dreidimensionale Struktur des Effektors zu untersuchen. Obwohl der Prozess sehr schwierig war, entschlüsselten sie schließlich in Zusammenarbeit mit dem Team von Xing Weiman die Kristallstruktur des Effektors MoErs1 und fanden heraus, dass es sich dabei um eine Art Cysteinprotease-Inhibitor handelt, der auf die Reis-Cysteinprotease OsRD21 abzielt und deren enzymatische Aktivität hemmt und dadurch die Rolle von OsRD21 bei der Immunität von Reis stört.

„Aufgrund des Konservatismus von MoErs1 kann es theoretisch als Ziel für neue Fungizide entwickelt und genutzt werden.“ Zhang Zhengguang sagte, dass konservierte Effektoren Proteine ​​seien, die im Laufe der langfristigen Evolution nachweislich weniger anfällig für Mutationen seien. Daher sei die Wahrscheinlichkeit einer Arzneimittelresistenz bei Fungiziden, die durch die Suche nach konservativen Effektoren als Zielmoleküle entwickelt würden, theoretisch geringer.

Neues Fungizid ist geboren

Basierend auf dem Modell der Interaktion zwischen Effektoren und dem Immunsystem von Reis entwickelten sie eine Diphenyletheresterverbindung. Diese Verbindung kann kompetitiv an den Pathogen-Effektor MoErs1 binden und dessen Angriff auf Reis-OsRD21 hemmen. Dadurch wird die Rolle von OsRD21 bei der Reisimmunität aufgehoben, eine Infektion mit Reisbrand verhindert und das Auftreten der Krankheit wirksam eingedämmt.

„Derzeit haben wir Vorversuche zur akuten Toxizität, Dreifachtoxizität und Umwelttoxizität der Verbindung abgeschlossen und alle haben eine geringe Toxizität ergeben“, sagte Liu Muxing.

Im September 2023 fand im Kreis Taojiang in der Provinz Hunan eine Vor-Ort-Beobachtungssitzung zur Vorbeugung und Bekämpfung der Reisbräune mithilfe von Diphenyletheresterverbindungen FY21001 statt. Die Teilnehmer besuchten die Testbasis zur Wirksamkeitsprüfung von Arzneimitteln zur Vorbeugung und Bekämpfung von Reisbrand im Dorf Luoxi, Stadt Gaoqiao, Kreis Taojiang. Zhang Zhengguang stellte das Auftreten von Reisbrand, den Anwendungsprozess und die Präventions- und Kontrolleffekte vor.

Die Expertengruppe überprüfte den Reisbräuneindex und die Wirksamkeit der Feldbekämpfung bei jeder Behandlung mit einem Mittel vor Ort und kam einstimmig zu dem Schluss, dass die Bekämpfungswirkung der Diphenyletheresterverbindungen der des Bekämpfungsmittels Tricyclazol gleichwertig sei.

Bai Lianyang, Mitglied der Chinesischen Akademie für Ingenieurwissenschaften und Sekretär des Parteikomitees der Hunan Academy of Agricultural Sciences, betonte uneingeschränkt die Bedeutung dieser Arbeit. Er kommentierte, dass es sich bei der Diphenyletheresterverbindung FY21001 um ein neuartiges, hochwirksames und wenig toxisches Fungizid mit einer originellen Struktur handele, das auf der Grundlage eines originellen Ziels entwickelt wurde und die Beschränkungen der traditionellen Fungizidherstellung durchbricht. Es verfügt über eine hervorragende vorbeugende Wirkung gegen Reisbrand auf dem Feld und seine Wirkung ist mit der von bestehenden herkömmlichen Mitteln zur Bekämpfung von Reisbrand vergleichbar. Es wird empfohlen, das Registrierungsverfahren für Pestizide zu beschleunigen.

„Wir haben für diese Verbindung vier national autorisierte Erfindungspatente erhalten, die das Grundgerüst der Verbindung schützen. Wir arbeiten derzeit mit Jiangsu Zhongqi Technology Co., Ltd. zusammen, um es weiterzuentwickeln, und wir hoffen, in den nächsten zwei Jahren einen offiziellen Antrag auf Registrierung als Pestizid einreichen zu können“, sagte Zhang Zhengguang.

Effektoren sind wichtige Waffen für Krankheitserreger, um Wirte anzugreifen. Die berichtete Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Analyse des Mechanismus, durch den Effektorproteine ​​die Immunität des Wirts hemmen. Da die meisten Effektorproteine ​​polymorph sind, gibt es keinen Präzedenzfall für die Entwicklung von Fungiziden, die auf Effektoren abzielen.

Diese Studie hat das Verständnis der Menschen für die Fungizidforschung und -entwicklung erweitert und eine neue Strategie für die Schaffung neuer, auf Effektoren abzielender Fungizide geschaffen. Da es sich bei Effektoren gleichzeitig um nur bei Pilzen vorkommende Proteine ​​handelt, die außerhalb der Zellen abgesondert werden, zeichnen sich die auf Effektoren abzielenden Fungizide durch eine geringe Toxizität aus und es besteht keine leichte Tendenz zur Entwicklung von Arzneimittelresistenzen. Dies entspricht den Entwicklungsanforderungen meines Landes hinsichtlich der Herstellung umweltfreundlicher Pestizide und eröffnet einen neuen Weg für die Herstellung umweltfreundlicher Pestizide in meinem Land.

Reporterin/Xia Wenyan, Korrespondentin/Xu Tianying