Onderzoekers van de Martin Luther Universiteit Halle-Wittenberg (MLU) hebben nieuwe werkzame stoffen op RNA-basis ontwikkeld om planten betrouwbaar te beschermen tegen het komkommermozaïekvirus (CMV).
Deze actieve ingrediënten hebben een breedspectrumwerking, waarbij een reeks RNA-moleculen het immuunsysteem van de plant ondersteunt in de strijd tegen het virus. In laboratoriumexperimenten overleefde 80 tot 100 procent van de behandelde planten een infectie met een hoge virusbelasting, zoals gerapporteerd in "Nucleic Acids Research".
© Uni Halle / Heiko Rebsch
Het virus wordt overgebracht door ongeveer 90 soorten bladluizen en tast meer dan 1200 plantensoorten aan, waaronder pompoen, komkommer, granen en medicinale en aromatische planten. Geïnfecteerde planten zijn gemakkelijk te herkennen aan een kenmerkend mozaïekpatroon op hun bladeren en gedijen niet goed, waardoor hun fruit onverkoopbaar wordt. Op dit moment zijn er geen goedgekeurde middelen tegen CMV, maar het nieuwe onderzoek van het MLU zou een oplossing op lange termijn kunnen bieden door de natuurlijke afweer van de plant effectiever te sturen.
Wanneer een virus een plant infecteert, gebruikt het de cellen van de plant als gastheer en vermenigvuldigt het zich via zijn ribonucleïnezuurmoleculen (RNA). Deze vreemde RNA-moleculen veroorzaken een eerste immuunrespons van de plant. Speciale enzymscharen herkennen en knippen de virale RNA-moleculen door, produceren kleine interfererende RNA-moleculen (siRNA's) die zich door de plant verspreiden en wekken een tweede immuunreactie op. De siRNA-moleculen binden zich aan speciale eiwitcomplexen en leiden ze naar de virale RNA-moleculen, waar de eiwitten het schadelijke RNA afbreken in onschadelijke fragmenten.
"Dit afweerproces is over het algemeen niet erg effectief, omdat een virusinfectie veel verschillende siRNA-moleculen produceert, maar slechts een paar daarvan een beschermend effect hebben," zegt professor Sven-Erik Behrens van het Instituut voor Biochemie en Biotechnologie aan het MLU. Zijn team heeft een methode ontwikkeld om zeer efficiënte siRNA-moleculen te identificeren en heeft er verschillende gecombineerd tot efficiënte dubbelstrengs RNA-moleculen (edsRNA's) die geschikt zijn voor gebruik in planten. Deze edsRNA's fungeren als een "pakket" dat in siRNA's uiteenvalt zodra het de plantencellen binnendringt, waardoor een groot aantal effectieve siRNA-moleculen een beschermend, antiviraal effect kan uitoefenen.
Het team voerde talrijke laboratoriumexperimenten uit op de modelplant Nicotiana benthamiana en toonde aan dat op edsRNA gebaseerde werkzame stoffen betrouwbaar beschermen tegen CMV. "De planten in onze experimenten waren geïnfecteerd met een zeer hoge virusbelasting: alle onbehandelde planten stierven", legt Behrens uit. Daarentegen overleefden 80 tot 100 procent van de behandelde planten.
Een speciaal voordeel van edsRNA-middelen is dat wanneer het pakket wordt afgebroken, het efficiënte siRNA-moleculen produceert die zich uitsluitend richten op het virus op verschillende plaatsen, waardoor het beschermende effect aanzienlijk toeneemt. "RNA-virussen zoals CMV zijn gevaarlijk omdat ze snel evolueren. Het genetisch materiaal van dit virus bestaat uit drie afzonderlijke delen die zich kunnen vermengen, waardoor de kans op nieuwe mutaties toeneemt. Voor maximale bescherming richten onze actieve ingrediënten zich op verschillende delen van het genoom," zegt Behrens.
Het team heeft het screeningsproces voor efficiënte siRNA's geoptimaliseerd en kan de procedure binnen twee tot vier weken aanpassen om nieuwe virale mutaties aan te pakken. "Tijd is cruciaal: als er een nieuwe virusvariant opduikt, kunnen we de werkzame stof snel aanpassen", legt Behrens uit. De aanpak kan ook worden toegepast op andere ziekteverwekkers en plagen.
Op dit moment worden de stoffen handmatig toegediend in het lab, door ze in te spuiten of door ze in plantenbladeren te wrijven. Het team werkt samen met apotheker en professor Karsten Mäder aan het MLU om de op RNA gebaseerde stoffen duurzamer te maken en gemakkelijker toe te passen, bijvoorbeeld door ze te besproeien. Ze plannen ook veldproeven om de stoffen onder echte omstandigheden te testen en zijn in gesprek met bedrijven over toekomstige industriële productie. Potentiële nieuwe gewasbeschermingsmiddelen moeten nog een goedkeuringsproces doorlopen, dus het zal nog wel even duren voordat een product tegen CMV op de markt komt. "We zijn er echter van overtuigd dat onze aanpak haalbaar is. Het eerste gewasbeschermingsmiddel met een werkzame stof op basis van RNA is onlangs goedgekeurd in de VS," zegt Behrens.
De redactie van "Nucleic Acids Research" selecteerde het artikel van de MLU-onderzoekers als een "doorbraakartikel", een onderscheiding die slechts twee tot drie procent van de artikelen die jaarlijks in het tijdschrift worden gepubliceerd, krijgen. In 2024 verschenen ongeveer 1300 artikelen in het tijdschrift.
Het werk werd gefinancierd door de Deutsche Forschungsstiftung (DFG), het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) en de deelstaat Saksen-Anhalt.
Bron: IDW Online