Spanische Forschende haben Pflanzen gezüchtet, die im Dunkeln leuchten und bei Virusbefall die Farbe ändern – so lassen sich Krankheiten in Feldern früh mit normalen Kameras erkennen.
Eine von spanischen Forschenden entwickelte Technologie soll helfen, Schädlinge und Krankheiten in Kulturen früh zu entdecken – dank Pflanzen, die im Dunkeln leuchten und bei Virusinfektionen ihre Farbe ändern.
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Das Forschungsteam vom Institut für Molekular- und Zellbiologie der Pflanzen (IBMCP), das zum CSIC und zur Universitat Politècnica de València (UPV) gehört, hat ein biologisches System zur Erkennung von Infektionen entwickelt. Die Studie ist in „Nature Communications“ erschienen und eröffnet einen neuen Weg, Krankheiten in Nutzpflanzen zu identifizieren.
Gesundheitszustand: Pflanzen senden unterschiedliche Lichtsignale
Inspiriert von der Biolumineszenz von Pilzen hat das Team ein System entwickelt, mit dem Pflanzen je nach Gesundheitszustand unterschiedliche Lichtsignale aussenden. Die Veränderung der Leuchtkraft zeigt die Präsenz von Viren an, noch bevor sichtbare Symptome auftreten. Herkömmliche Kameras können diese Signale erfassen.
Das System nutzt vier Enzyme, die eine natürliche Pflanzenverbindung, Kaffeesäure, so verändern, dass bei der Oxidation eine Molekülstruktur entsteht, die dauerhaft grünes Licht aussendet. So werden die Pflanzen zu leuchtenden Sensoren ihres eigenen Gesundheitszustands.
Transgene Pflanzen mit Biolumineszenz-Genen aus Pilzen
Das Team testete das System an transgenen Pflanzen der Art Nicotiana benthamiana, einer mit Tabak verwandten Modellpflanze für die Forschung. Dafür schleusten sie mithilfe modifizierter Viren Biolumineszenz-Gene aus Pilzen ein. So konnten sie den Verlauf der Infektion und die betroffenen Bereiche direkt sichtbar machen.
Anschließend entwickelten die Forschenden ein Wächter-System, das Infektionen durch Potyviren über einen Farbwechsel des von der Pflanze ausgesandten Lichts erkennt. Ohne Virusinfektion senden die Pflanzen ein dauerhaft gelbes Signal. Sobald sie infiziert sind, aktiviert ein Enzym des Erregers eine Farbveränderung, die sich mit einfachen, kostengünstigen Geräten erfassen lässt. Das erleichtert die Früherkennung.
Traditionelle Methoden zur Diagnose von Pflanzenkrankheiten wie PCR oder ELISA liefern zwar sehr präzise Ergebnisse, weil sie das Erbmaterial oder die Proteine der Viren nachweisen. Sie benötigen jedoch Zeit, spezielle Geräte und geschultes Laborpersonal.
Wächterpflanzen melden erste Krankheitsausbrüche
Zunächst ließe sich das System für die frühe Überwachung von Viruskrankheiten in Gewächshäusern und kontrollierten Anbausystemen einsetzen, mit Wächterpflanzen, die die ersten Ausbrüche anzeigen.
Langfristig könnte sich die Technologie auf andere Erreger wie Bakterien und Pilze übertragen lassen und so zu einem wichtigen Instrument werden, um auf neue landwirtschaftliche Bedrohungen durch den Klimawandel zu reagieren.
An dem Projekt sind außerdem das Zentrum für Biologische Forschung Margarita Salas (CIB-CSIC), die Zentrale Forschungseinheit für Medizin der Universitat de València und das MRC Laboratory of Medical Sciences in London beteiligt, die zur Entwicklung dieser Früherkennungstechnologie beigetragen haben.