Wanneer planten aangevallen worden door bacteriën, virussen of schimmels reageren ze door zowel aanvallende stoffen te produceren, die de indringers doden, als verdedigende stoffen te produceren die verdere verspreiding voorkomen. Wetenschappers op Stanford University hebben nu een type chemisch vaccin gebruikt om het verdedigingsmechanisme van de plant te activeren, zodat lokale infecties niet besmettelijk kunnen worden. Dit is mogelijk een eerste stap om infecties in de oogst terug te dringen.
In een rapport dat op 22 oktober werd gepubliceerd in Science Signaling werd er beschreven hoe een team, geleid door plantbioloog Mary Beth Mudgett en scheikundig ingenieur Elizabeth Sattely, tomaten- en paprikaplanten redde van bacterial speck, de bacteriële aantasting die zich van blad tot blad kan verspreiden, ervoor zorgt dat de bladeren geel worden en uiteindelijk de dood van de plant als gevolg heeft.
Ze hebben dit bereikt door niet-geïnfecteerde bladeren te behandelen met een onlangs ontdekte en van nature voorkomende chemische stof, genaamd N-hydroxy-pipecolic-zuur, ook wel NHP genoemd. Deze chemische stof zorgde voor een serie chemische reacties die de niet-geïnfecteerde bladeren resistenter maakten voor de ziektekiemen.
Mary Beth Mudgett, links, Eric Holmes en Elizabeth Sattely hielpen tomatenplanten in het afweren van infecties, een mogelijke eerste stap naar hetzelfde proces voor meer planten (Afbeelding: Amy Adams)
Recente ontdekking
“Ons team en een andere groep hebben pas vorig jaar ontdekt wat het effect was van NHP op het verdedigingsmechanisme van planten in het lab,” zegt Mudget. “Deze keer hebben we NHP gemaakt en aangetoond dat we het kunnen gebruiken als inoculatiemiddel om dit verdedigingsmechanisme in gewasplanten te activeren.”
Sattely zei dat het belang van de resultaten verder gaat dan tomaten en paprika’s. Het team analyseerde de genomen van meer dan 50 planten, inclusief maïs en sojabonen. Veel van deze soorten hebben de genetische mogelijkheid om tenminste kleine hoeveelheden NHP te produceren. Dit zou erop kunnen duiden dat zij ook de mogelijkheid hebben om chemische zelfbescherming te creëren. Nu ze hebben aangetoond dat een extra dosis NHP het verdedigingssysteem in tomaten en paprika’s heeft geactiveerd, denkt Sattely dat het wellicht mogelijk is om de NHP-genen toe te dienen aan planten om hun natuurlijke afweermechanismes te ondersteunen.
“Dat is waar we naartoe gaan, maar eerst moeten we nog meer te weten komen over de biologie,” zegt Sattely. “Het draait allemaal om wisselwerkingen in de natuur. Als we een plant ontwikkelen die meer energie besteedt aan afweermechanismes, hoe beïnvloedt dat dan de groei van die plant? Op dit moment weten we dat nog niet.”
Natuurlijke bescherming
Dit onderzoek is een vervolg op een succesvolle samenwerking tussen Mudgett en Sattely, die is begonnen nadat de promovendus Jakub Rajniak in Sattely’s laboratorium NHP ontdekte in laboratoriumplanten. Yun-Chu Chen, postdoctoraal student in Mudgett’s laboratorium, en Eric Holmes, promovendus, die met Sattely samenwerkten, kwamen er toen achter dat NHP een systeem, genaamd ‘systematisch verworven weerstand’ (of SAR) activeert en een chemische bescherming creëert dat niet-geïnfecteerd weefsel beschermt. Dat afweersysteem was al wel bekend bij wetenschappers, maar het was niet bekend waar het door geactiveerd werd.
De nieuwe onderzoeken in tomaten en paprika’s hadden als doel om te bepalen of NHP de SAR in deze planten ook activeert. Om dit te bepalen, dienden Chen en Holmes NHP toe aan de onderkant van de bladeren van tomaten- en paprikaplanten. Daarna infecteerden ze de bladeren met de bacterie die bacterial speck veroorzaakt. De planten die waren behandeld bleven vrij van ziektesymptomen, wat erop lijkt te duiden dat de NHP de weerstand in het weefsel van de plant had geactiveerd. Planten die water kregen toegediend in hun bladeren in plaats van NHP bezweken wel onder de infectie.
Chen en Holmes wilden daarna uitvinden of ze de productie van NHP in tomaten konden stimuleren en of die interne NHP ook de weerstand zou activeren. Hiervoor dienden ze de genen toe aan de tomatenplanten die nodig zijn om NHP te produceren. Cellen in die planten gingen NHP produceren, wat hun SAR-afweermechanismes activeerde en de ontwikkeling van bacterial speck voorkwam.
Uiteindelijk willen de onderzoekers de twee NHP-producerende genen toedienen aan de zaden van voedselgewassen en testplanten telen in laboratoriumkassen om uit te vinden of ze de SAR-afweermechanismes in de hele plant kunnen stimuleren en wat het effect ervan is op de algehele fysiologie van de plant.
“We willen de natuurlijke afweermechanismes in planten verbeteren door middel van genetische bewerking,” zegt Sattely.
Mudgett denkt dat het stimuleren van de NHP-productie nuttig kan zijn om gewassen te ondersteunen in de bescherming tegen onverwachte infecties. In tegenstelling tot menselijke vaccins, die bescherming bieden tegen een bepaalde ziekteverwekker zoals kinkhoest of de griep, zorgt NHP ervoor dat het SAR-afweermechanisme een chemische bescherming biedt tegen een grote hoeveelheid aan ziektekiemen. Deze natuurlijke plantverbinding, gecombineerd met andere ziekteresistente eigenschappen in gewassen, kan veelbelovend zijn bij het voorkomen van meervoudige ziekte-uitbraken, zegt Mudgett.
“We ontwikkelen nu gewassen die resistent zijn tegen een specifieke ziekte en wanneer het virus muteert en resistent wordt, beginnen we opnieuw,” zegt ze. “Dit is mogelijk een manier voor bescherming tegen vele dreigingen tegelijkertijd.”
