Halle, Germany
August 21, 2019
Using the novel approach by MLU's scientists, plants can be easily vaccinated. - Foto: Uni Halle / Markus Scholz
Simple, fast and flexible: It could become significantly easier to vaccinate plants against viruses in future. Scientists at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) and the National Research Council in Italy (CNR) have developed a new method for this purpose. It enables the rapid identification and production of precisely tailored substances that combat different pathogens. The researchers discuss their work in the journal "Nucleic Acids Research".
The new method is based on a molecular defence program of plants that is triggered, for example, by viral infections. During a virus attack, the plant’s cells serve as a host to multiply the virus, which results in the creation of viral ribonucleic acid molecules (RNAs). Plants can detect and cut up these molecules using special enzyme scissors. This process produces "small interfering RNAs" (siRNAs) which spread throughout the plant and may initiate a second stage of defence for the plant. Here, the siRNA molecules attach themselves to so-called Argonaute protein complexes and lead these to the virus RNAs, which then, in the best-case scenario can be dismantled and broken down into harmless compounds. "By implementing this two-stage process, the plant is trying to protect itself from the virus both at the site of the infection and throughout its structure", says Professor Sven-Erik Behrens from MLU’s Institute of Biochemistry and Biotechnology.
The process is not particularly efficient, however, as the biochemist explains: "When a viral infection occurs, lots of different siRNA molecules are produced, but very few of them have a protective effect. The majority simply saturate the Argonaute complexes, rendering them inactive." Behrens’ team has discovered a novel way to identify the few effective antiviral siRNA molecules for different viruses and harness them as plant vaccines. The scientists have developed a screening process based on plant cell extracts, which is being used instead of lengthy, complex breeding efforts. To qualify as potential vaccines, the siRNA molecules must have two key properties: On the one hand, they have to bind strongly to the Argonaute complexes. On the other hand, they have to lead these proteins to sites of the viral RNAs that are accessible for Argonaute-mediated degradation.
The team of scientists have already been able to prove the effectiveness of their new method in the laboratory. To achieve this, two groups of the tobacco plant N. benthamiana were infected with a model virus that attacks tomatoes and tobacco. Before being infected, one group was vaccinated with highly efficient siRNA molecules that the researchers had identified using the new method. The other group didn’t receive any treatment. The effects were striking: After six weeks, 90 per cent of the vaccinated plants did not show any signs of infection, but all the untreated plants had been killed by the virus.
The MLU research team’s method follows the modular principle. "If the pathogen changes or the plant needs to be protected against another virus, the established screening process enables suitable RNA molecules to fight the respective pathogen to be identified very quickly. This means we can be very flexible when it comes to combatting new pests", Behrens concludes. A patent application has been filed for the method.
The researchers hope to continue exploring and improving their method in future. It is, for example, still unclear how long a vaccination will last in different species and whether drug depots can be created on plants. Further studies will clarify how vaccines can be produced in larger quantities and how they can be applied to or absorbed by plants. According to Behrens, a spray that can be applied in greenhouses is conceivable: "Tomato growers have to contend with whiteflies, for example, and these can transfer viruses from one plant to another very quickly." Until now, pesticides have been used to kill off the insects. The new MLU development could prove to be an alternative that’s much gentler both to the insects and to the environment.
The research was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) as part of the Collaborative Research Centre 648 and by the Research Priority Programme of the State of Saxony-Anhalt.
About the study: Gago-Zachert S. et al. Highly efficacious antiviral protection of plants by small interfering RNAs identified in vitro. Nucleic Acids Research (2019). doi: 10.1093/nar/gkz678
Pflanzenschutz: Forscher entwickeln neuartigen Impfbaukasten
Einfach, schnell und flexibel: Künftig könnten Pflanzen deutlich leichter gegen Viren geimpft werden. Ein neues Verfahren dafür haben Forschende der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) und des Nationalen Forschungsrats in Italien (CNR) entwickelt. Damit lassen sich schnell passgenaue Wirkstoffe gegen verschiedene Krankheitserreger identifizieren und produzieren. Über ihre Arbeit berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Nucleic Acids Research".
Die neue Entwicklung basiert auf einem molekularen Abwehrprogramm der Pflanze, das zum Beispiel bei Virusinfektionen ausgelöst wird. Befällt ein Virus eine Pflanze, nutzt es deren Zellen als Wirt, um sich zu vermehren. Dabei entstehen virale Ribonukleinsäure-Moleküle (RNAs). Pflanzen können diese Moleküle mit Hilfe spezieller Enzym-Scheren erkennen und zerschneiden. Durch diesen Prozess entstehen "small interfering RNAs" (siRNAs), die sich in der Pflanze verbreiten und eine zweite Stufe der pflanzlichen Verteidigung einleiten können. Die siRNA-Moleküle binden dabei an sogenannte Argonaute-Proteinkomplexe und leiten diese zu den Virus-RNAs, die dann, im optimalen Fall, in harmlose Teile zerlegt und abgebaut werden können. "Mit diesem zweistufigen Prozess versucht sich die Pflanze einerseits am Ort der Infektion und anderseits in ihrem gesamten Organismus gegen das Virus zu schützen", sagt Prof. Dr. Sven-Erik Behrens vom Institut für Biochemie und Biotechnologie der MLU.
Der Prozess ist aber nicht besonders effizient: "Bei einer Virusinfektion entstehen sehr viele unterschiedliche siRNA-Moleküle, aber nur ganz wenige haben eine Schutzwirkung. Die meisten sättigen die Argonaute-Komplexe nur ab, sodass diese dann inaktiv bleiben", sagt der Biochemiker Behrens. Sein Team hat jetzt einen Weg gefunden, die wenigen antiviral wirksamen siRNA-Moleküle für verschiedene Viren zu identifizieren und diese dann gezielt als Impfstoffe für Pflanzen einzusetzen. Hierfür haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Screening-Verfahren auf der Basis von pflanzlichen Zellextrakten entwickelt, das anstelle komplexer und langwieriger Züchtungsversuche zum Einsatz kommt. Als potenzielle Impfstoffe müssen die siRNA-Moleküle zwei Bedingungen erfüllen: Zum einen müssen sie gut in die Argonaute-Komplexe eingebaut werden können. Zum anderen müssen sie diese Proteine zielgenau zu den jeweiligen Virus-RNAs führen, die zerstört werden sollen.
Im Labor konnte das Team die Wirksamkeit seines Ansatzes bereits nachweisen. Hierfür wurden zwei Gruppen der Tabakpflanze N. benthamiana mit einem Modellvirus infiziert, das Tomaten und Tabak befällt. Eine impften die Forschenden vorher mit hocheffizienten siRNA-Molekülen, die sie gemäß ihrem neuen Verfahren identifiziert hatten. Die andere Gruppe erhielt keine Behandlung. Die Effekte waren enorm: Während 90 Prozent der geimpften Pflanzen nach sechs Wochen keine Anzeichen einer Infektion zeigten, waren alle unbehandelten durch das Virus gestorben.
Das Verfahren der MLU-Forscher ist nach dem Baukasten-Prinzip aufgebaut: "Wenn sich das Pathogen verändert oder die Pflanze gegen ein anderes Virus geschützt werden soll, lassen sich mit dem etablierten Screening sehr schnell geeignete RNA-Moleküle identifizieren, um den jeweiligen Krankheitserreger zu bekämpfen. So kann man sehr flexibel gegen neue Schädlinge vorgehen", fasst Behrens zusammen. Das Verfahren wurde zum Patent angemeldet.
Die Forscherinnen und Forscher wollen ihren Ansatz künftig weiter untersuchen und verbessern. Unklar ist zum Beispiel noch, wie lange eine Impfung bei verschiedenen Arten anhält und ob sich an der Pflanze Wirkstoffdepots anlegen lassen. Andere Folgestudien sollen klären, wie man die Impfstoffe in größeren Mengen produzieren und einfach auf oder in die Pflanzen bringen kann. Denkbar ist laut Behrens eine Anwendung als Spray in Gewächshäusern: "Tomatenzüchter haben zum Beispiel mit sogenannten weißen Fliegen zu kämpfen, die sehr schnell Viren von einer Pflanze zur nächsten übertragen können." Bislang würden Pestizide genutzt, um die Insekten abzutöten. Die hallesche Entwicklung könnte hier eine für die Insekten und Umwelt deutlich schonendere Alternative darstellen.
Die Forschung wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 648 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und durch das Forschungsschwerpunktprogramm des Landes Sachsen-Anhalt gefördert. Die erzielten Ergebnisse wurden 2018 mit dem Hugo-Junkers-Preis ausgezeichnet.
Originalpublikation:
Gago-Zachert S. et al. Highly efficacious antiviral protection of plants by small interfering RNAs identified in vitro. Nucleic Acids Research (2019). doi: 10.1093/nar/gkz678
Link zur Studie: https://academic.oup.com/nar/article-lookup/doi/10.1093/nar/gkz678
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