Biomimetische Oberflächen können Pilzerkrankungen vorbeugen.

Forscher der Universität Adelaide, Australien, schlagen vor, Blattpilzerkrankungen als Biointerface-Problem zu behandeln. Der Ansatz zielt darauf ab, die physikalischen und chemischen Signale zu identifizieren, die Krankheitserreger zur Erkennung der Blattoberfläche nutzen. Dieses Wissen kann präventive Strategien ermöglichen, die auf genetischer Verbesserung und Produkten zur Modifizierung der Eigenschaften der Pflanzenkutikula basieren (doi 10.1116/6.0005533).

Das Konzept basiert auf einem allen Blattpathogenen gemeinsamen Schritt. Vor der Infektion muss der Pilz mit dem Blatt in Kontakt treten und den Wirt erkennen. Oberflächenmerkmale können die Sporenkeimung und die Ausbreitung der Besiedlung fördern. Eine Unterbrechung dieser Erkennung kann die Krankheitsentwicklung verhindern oder verringern.

Erste Schnittstelle

Die Kutikula bedeckt die oberirdischen Pflanzenteile und bildet die erste Schnittstelle zur Umwelt. Diese Schicht besteht aus einer Matrix aus Kutin und kutikulären Wachsen. Die epikutikulären Wachse befinden sich im äußeren Bereich und bestimmen Eigenschaften wie chemische Zusammensetzung, Hydrophobie, Rauheit und Topographie.

Die Zusammensetzung variiert je nach Art, Sorte, Gewebe, Entwicklungsstadium und Umweltbedingungen. Wachse enthalten langkettige aliphatische Verbindungen sowie Terpene, Polyphenole und flüchtige Substanzen. An der Oberfläche können diese Stoffe kristalline Strukturen mit plättchen-, faser- oder röhrenförmigen Morphologien bilden.

Wirtserkennung

Die in der Studie gesammelten Erkenntnisse deuten auf eine biologische Funktion dieser Wachse bei der Wirtserkennung hin. Pilzsporen können spezifische Verbindungen erkennen und ihre Reaktion vor dem Eindringen entsprechend anpassen. Echter Mehltau der Gerste, verursacht durch Blumeria graminis subsp. hordei, reagiert auf das Aldehyd Hexacosanal mit einer Kohlenstoffkette von 26. Echter Mehltau des Weizens, verursacht durch Blumeria graminis subsp. tritici, nutzt Octacosanal mit einer Kohlenstoffkette von 28. Diese Verbindungen kommen in den Epikutikularwachsen der jeweiligen Nutzpflanzen vor.

Herkömmliche Infektionsmodelle verwenden ganze Blätter. Sie ermöglichen zwar die Beurteilung der Anfälligkeit verschiedener Arten und Sorten, erschweren aber die Trennung der Effekte von Oberflächenchemie, Morphologie, Physiologie und Immunantworten, erklären die Wissenschaftler. Natürliche Gewebevariationen verringern zudem die Reproduzierbarkeit der Tests.

Viele Studien untersuchen metabolische, proteomische oder transkriptomische Veränderungen nach der Etablierung einer Krankheit. Diese Methoden beschreiben zwar die nachfolgenden Reaktionen, isolieren aber nicht die Faktoren, die für den Erfolg des Pathogens beim ersten Kontakt mit der Pflanze verantwortlich sind.

Künstliche Oberflächen

Um diese Einschränkung zu überwinden, schlagen die Forscher künstliche, mit Blattwachsen beschichtete Oberflächen vor. Das System trägt Wachsextrakte auf inerte Substrate auf und bildet Filme mit bekannter Zusammensetzung. Beim Spin-Coating-Verfahren wird eine Lösung auf einer sich bewegenden Oberfläche verteilt, wodurch eine dünne, gleichmäßige Schicht entsteht.

Das Modell erhält die in Blättern vorkommende chemische Zusammensetzung und reduziert die Komplexität lebender Gewebe. Rotationsgeschwindigkeit, Lösungsmittel, Volumen und Lösungskonzentration ermöglichen die Kontrolle von Filmdicke und Hydrophobie. Tests können diese Eigenschaften mit der Sporenkeimung in Zusammenhang bringen.

Vorläufige Daten

Vorläufige Daten der Wissenschaftler zeigen die Keimung zweier Unterarten von Blumeria graminis auf Oberflächen, die mit Wachsen verschiedener Pflanzen beschichtet sind. Die Zusammenführung der biologischen Ergebnisse und die Charakterisierung der Filme könnten Verbindungen oder Eigenschaften aufdecken, die die Krankheit auslösen können.

Frühe Modelle erzeugen glatte Oberflächen. Sie bilden zwar nicht die gesamte natürliche Morphologie von Wachsen nach, ermöglichen aber die Trennung des Effekts von der chemischen Zusammensetzung. Zukünftige Systeme könnten Rauheit, Topographie, chemische Gradienten, Temperatur und Luftfeuchtigkeit berücksichtigen. Weitere Beschichtungs- und Mikrofertigungstechniken könnten die Kontrolle über die Oberflächeneigenschaften ebenfalls erweitern.

Der Vorschlag umfasst die Bewertung verschiedener Kulturpflanzen und Pathogengruppen. Ein Großteil der verfügbaren Forschung konzentriert sich auf biotrophe Mehltaupilze. Die Einbeziehung von Rostpilzen, Fäulnispilzen, Blattflecken und anderen Erregern könnte den Aufbau von Anfälligkeitsdatenbanken unterstützen. Diese Datenbanken würden Informationen über die Kulturpflanze, den Pilz und die Oberflächenbeschaffenheit erfassen.

Pflanzenauswahl

Die Ergebnisse könnten die Auswahl von Pflanzen mit Wachsprofilen erleichtern, die für den Erreger weniger anfällig sind. Züchtungs- und Genomeditierungsprogramme könnten diese Vielfalt nutzen. Eine weitere Alternative sind Sprays, die auf der Kutikula basieren und so formuliert sind, dass sie die Blattoberfläche verändern und die Erkennungsmechanismen der Pilze stören.

Diese Strategien müssen noch an Pflanzen und unter Feldbedingungen validiert werden. Ziel ist es, die Bekämpfung von Infektionen von der Nachbehandlung hin zur Prävention von Infektionskontakt zu verlagern. Dieser Ansatz ersetzt weder Fungizide noch resistente Sorten, sondern eröffnet einen neuen Forschungsansatz zur Reduzierung des Krankheitsbefalls.