Engineering of a plant ribosylated nucleotide immune second messenger

Planten zijn geen passieve slachtoffers wanneer ze worden aangevallen door bacteriën of schimmels; ze beschikken over een geavanceerd, intern alarmsysteem dat kan worden geactiveerd om terug te vechten. Dit systeem vertrouwt op piepkleine chemische signalen, bekend als tweede boodschappers, die fungeren als interne koeriers die van het front naar het hoofdkwartier worden gestuurd. Wanneer een plant een dreiging detecteert, breken specifieke enzymen een algemeen cellulair molecuul af om deze unieke signalen te creëren. De signalen reizen vervolgens naar een specifiek eiwitcomplex binnen de cel, dat fungeert als een schakelaar die een breed scala aan defensieve genen inschakelt die antimicrobiële verbindingen produceren en de celwanden van de plant versterken. Decennialang begrepen wetenschappers dat deze natuurlijke signalen bestaan, maar het exploiteren ervan om gewassen te beschermen was moeilijk omdat de moleculen fragiel zijn, lastig in grote hoeveelheden te maken zijn en moeite hebben om de taaie buitenste lagen van plantencellen te passeren om hun doelwitten te bereiken.

Een team van onderzoekers heeft deze problemen nu opgelost door een nieuwe, efficiënte manier te creëren om een specifiek plantimmuunsignaal genaamd fosfo-ribosyl-adenosine monofosfaat te produceren, en door een duurzamere versie ervan te ontwerpen. Ze ontdekten dat deze stof, wanneer het op planten wordt gespoten, de noodzaak kan omzeilen dat de plant eerst een pathogeen moet detecteren. In plaats daarvan activeert het direct de interne defensieve machinerie van de plant, waardoor de plant resistent wordt tegen een breed scala aan ziekten. De onderzoekers ontdekten dat door de chemische structuur van het signaal licht aan te passen om het stabieler te maken, ze een versie konden creëren die bij veel lagere doses werkt en langer aanhoudt, waardoor het immuunsysteem van de plant effectief in een schild tegen infecties wordt veranderend zonder de groei van de plant te schaden.

De reis begon met een chemische uitdaging. Het natuurlijke immuunsignaal dat het team wilde gebruiken, is een complex molecuul dat moeilijk te synthetiseren is in een laboratorium. Eerdere methoden vereisten vijftien afzonderlijke stappen om een enkel molecuul te creëren, wat resulteerde in een zeer kleine hoeveelheid bruikbaar product. De onderzoekers ontwikkelden een gestroomlijnd proces van vijf stappen dat het molecuul met een veel hogere opbrengst produceert. Deze nieuwe route stelde hen in staat om genoeg van de zuivere chemische stof te maken om het op levende planten te testen. Ze begonnen met het bouwen van een kernstructuur en voegden vervolgens een fosfaatgroep toe op een specifieke locatie, waardoor het actieve immuunsignaal ontstond. Om ervoor te zorgen dat deze chemische stof daadwerkelijk in een plant kon werken, moesten ze overwinnen dat het molecuul sterk geladen en polair is, eigenschappen die gewoonlijk voorkomen dat het door de wasachtige, beschermende celwanden en membranen van een plantencel glipt.

Toen het team deze nieuw gesynthetiseerde chemische stof op levende plantencellen en hele zaailingen toepaste, werkte het onmiddellijk. De chemische stof passeerde de celbarrières en veroorzaakte een piek in de expressie van defensieve genen. Cruciaal was dat de onderzoekers dit testten op planten die specifieke onderdelen van hun immuunsysteem misten om precies in kaart te brengen hoe het signaal werkte. Ze ontdekten dat de chemische stof alleen werkte in planten die een specifiek eiwitcomplex bezaten dat bekend staat als EDS1-PAD4, dat fungeert als de receptor voor dit signaal. In planten die de receptor missen, of in planten die een helpereiwit genaamd ADR1 missen dat de defensieve respons uitvoert, had de chemische stof geen effect. Dit bewees dat de synthetische stof niet alleen algemene stress of verwarring in de plant veroorzaakte, maar specifiek dezelfde precieze immuunroute aansprakte die de plant van nature gebruikt wanneer hij echte infecties bestrijdt. Bovendien veroorzaakte de chemische stof niet de snelle uitbarsting van zuurstof die meestal geassocieerd wordt met detectie aan de oppervlakte, wat bevestigde dat het de cel binnendringt en van binnenuit werkt.

Echter, de natuurlijke versie van dit signaal heeft een zwakte: het breekt zeer snel af binnen de plant en houdt slechts ongeveer een uur stand voordat het wordt afgebroken. Om dit op te lossen, hebben de onderzoekers een gemodificeerde versie van het molecuul ontworpen. Ze vervingen twee zuurstofatomen in de chemische structuur door zwavelatomen, waardoor een variant ontstond genaamd Thio-pRib-AMP. Deze kleine verandering maakte het molecuul veel resistenter tegen de interne enzymen van de plant die het normaal gesproken zouden afbreken. In laboratoriumtests bleef deze nieuwe versie minstens vierentwintig uur stabiel, terwijl de oorspronkelijke versie in een fractie van die tijd verdween. Deze stabiliteit vertaalde zich direct in kracht. De gemodificeerde stof bleek ongeveer honderd keer krachtiger dan de oorspronkelijke. Het kon hetzelfde niveau van immuundefensie triggeren bij een concentratie van 250 nanomol, terwijl de oorspronkelijke twintig micromol vereiste om hetzelfde resultaat te bereiken.

Het team verplaatste zich vervolgens van het laboratorium naar het veld om te testen of het besproeien van volwassen planten met deze chemische stoffen hen kon beschermen tegen ziekten. Ze behandelden Arabidopsis-planten, een veelgebruikt model voor het bestuderen van plantbiologie, met de stabiele, gemodificeerde chemische stof. Toen ze deze planten later blootstelden aan een virulente stam van bacteriën die bladvlekken veroorzaken, vertoonden de behandelde planten aanzienlijk minder infectie dan de onbehandelde planten. De bescherming was specifiek voor de immuunroute; planten die de EDS1-PAD4-receptor misten, profiteerden niet van de behandeling, wat bevestigde dat de spray via de beoogde methode werkte. De onderzoekers testten de chemische stof ook tegen een ander type pathogeen, een waterschimmel die meeldauw veroorzaakt. Opnieuw toonden de behandelde planten een sterke resistentie, waarbij de schimmel moeite had om te groeien en zich te vermenigvuldigen op de bladeren.

Belangrijk is dat de onderzoekers voorzichtig waren om een dosis te vinden die de plant beschermde zonder de groei te remmen. Ze ontdekten dat een lage dosis van vijftig nanomol voldoende was om bacteriële en schimmelinfecties te stoppen zonder een vermindering in de grootte of het gewicht van de plant te veroorzaken. Hogere doses vertraagden echter de groei, wat het belang van precisie bij de toepassing benadrukt. Het succes was niet beperkt tot de modelplant. Het team paste dezelfde behandeling toe op tabaksplanten en een commercieel ras van koolzaad, een belangrijk olierijke gewas. In beide gevallen verminderde de spray de bacteriële infectie en de symptomen van de ziekte. De chemische stof werkte effectief in deze verschillende soorten, wat suggereert dat deze immuunsignaalroute behouden blijft over een breed scala aan gewassen, van de kleine onkruiden die in laboratoria worden bestudeerd tot de grote landbouwvelden.

De implicaties van dit werk strekken zich uit voorbij alleen een nieuwe spray. De onderzoekers hebben aangetoont dat het mogelijk is om de natuurlijke immuunsignalen van een plant chemisch te modificeren om ze effectiever en stabieler te maken. Door een molecuul te creëren dat het eigen alarmsysteem van de plant nabootst maar robuuster en krachtiger is, hebben ze een instrument geleverd dat de defensie van de plant kan activeren voordat een ziekte zelfs arriveert. Deze aanpak biedt een potentieel alternatief voor traditionele pesticiden, die vaak gunstige organismen doden en kunnen leiden tot resistente plagen. In plaats van de pathogeen rechtstreeks aan te vallen, versterkt deze methode de plant zelf. De studie suggereert dat met de juiste chemische engineering, deze natuurlijke immuunstimulanten ontwikkeld kunnen worden tot breedspectrum-beschermingsmiddelen voor een verscheidenheid aan gewassen, wat een duurzame manier biedt om de voedselproductie te beveiligen in een veranderende wereld. Het werk dient als een bewijs van concept dat het begrijpen van de moleculaire taal van plantimmuniteit kan leiden tot praktische, technisch vervaardigde oplossingen voor de wereldwijde landbouw.