Onlangs hebben wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen de recente onderzoeksvooruitgang samengevat over de verdedigingsreacties van tuinbouwgewassen op schimmelpathogenen en nieuwe strategieën om de inductie van plantresistentie te reguleren, evenals problemen, uitdagingen en toekomstige onderzoeksrichtingen.

Fytochemicaliën met antimicrobiële effecten zijn belangrijke componenten van afweersystemen in planten. Onder dergelijke fytochemicaliën worden fytoalexines geïnduceerd door externe factoren, terwijl fytoanticipines van nature voorkomen of toenemen na inductie. Antimicrobiële fytochemicaliën worden geclassificeerd op basis van hun chemische structuur en zijn voornamelijk fenolen, flavonoïden, coumarinen, lignines, terpenoïden, alkaloïden, glucosinolaten en stilbenen. Fenolen en flavonoïden zijn secundaire metabolieten die een van de meest voorkomende en uitgebreide groepen fytochemicaliën vormen. Deze verbindingen remmen pathogenen door membraanlipideperoxidatie te induceren, die de doorlaatbaarheid van het schimmelcelmembraan en de mitochondriale functie verstoort. Evenzo remmen terpenoïden de groei van schimmels en induceren ze ook ziekteresistentie. De andere fytochemicaliën vertonen ook een sterke en stabiele breedspectrum antischimmelactiviteit, wat suggereert dat ze zouden kunnen worden ontwikkeld als alternatief voor chemische fungiciden.

Wanneer schimmelpathogenen fysieke barrières binnendringen door de celwanden van de gastheer te wijzigen of af te breken, kunnen patroonherkenningsreceptoren (PRR's) geconserveerde schade-geassocieerde moleculaire patronen (DAMP's) van planten of pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's) van pathogenen herkennen en patroon-getriggerde immuniteit activeren (PTI). Schimmelpathogenen kunnen effectoren of virulentiefactoren afscheiden, die kunnen worden herkend door nucleotide-bindende en leucine-rijke repeat (NB-LRR of NLR) eiwitten en andere plantresistentie (R) eiwitten. Een dergelijke herkenning kan resulteren in verdere effector-getriggerde immuniteit (ETI), waarvan wordt aangenomen dat het een versnelde en versterkte PTI-respons is. Een gevarieerd aantal NB-LRR-genen vertoont speciale evolutionaire patronen tussen plantensoorten. Tot op heden is bevestigd dat slechts enkele NB-LRR-genen werken als reactie op schimmelpathogenen. Verdere diepgaande verkenning van potentiële NB-LRR's en hun werkingsmechanismen kan ons arsenaal aanzienlijk verrijken om schimmelpathogenen tegen te gaan.

Om verdere invasie van schimmelpathogenen te voorkomen, hebben planten een reeks reacties ontwikkeld, waaronder de overgevoeligheidsreactie (HR), celwandmodificatie, stomatale sluiting, callose-afzetting, fytoalexineproductie en toxineafbraak. Nadat lokale afweerreacties zijn geïnduceerd, kan systemische signalering weerstand in andere aangrenzende weefsels activeren. Zowel PTI als ETI kunnen de productie en het transport over lange afstand van signaalmoleculen activeren om systemische verworven resistentie (SAR) en door herbivoren geïnduceerde resistentie (HIR) te induceren. SAR wordt voornamelijk gemedieerd door salicylzuur (SA)-signalering en in mindere mate door N-hydroxypipecolzuur (NHP). In tegenstelling tot SAR wordt HIR gemoduleerd door jasmonzuur (JA) en ethyleen (ET). Overspraak tussen SA, JA en ET, zowel synergetisch als antagonistisch, komt vaak voor en is cruciaal voor afweerreacties tegen schimmelpathogenen.

Het overmatig gebruik van traditionele fungiciden en antimicrobiële middelen heeft de resistentie van pathogenen tegen deze verbindingen vergroot en vormt ook een bedreiging voor de voedselveiligheid en het milieu. Daarom moeten nieuwe strategieën worden ontwikkeld voor een efficiënte ziektebestrijding om te voldoen aan de eisen voor een duurzame ontwikkeling van de landbouwindustrie. De laatste onderzoeken geven aan dat de inductie van intrinsieke resistentie in tuinbouwgewassen via regulerende elementen zowel haalbaar als efficiënt is. De ontdekking van grensoverschrijdende RNA-smokkel heeft nieuwe perspectieven geboden voor gewasbescherming. De necrotrofe schimmel B. cinerea kan kleine RNA's (sRNA's) produceren die fungeren als effectoren om de immuniteit van de gastheer te onderdrukken. Op hun beurt introduceren waardplanten sRNA's in B. cinerea via extracellulaire blaasjes die de expressie van genen die geassocieerd zijn met pathogeniteit onderdrukken. Overexpressie of knockdown van overgedragen gastheer-sRNA's kan gastheerresistentie bevorderen of verminderen. Dubbelstrengs RNA (dsRNA) uit de omgeving kan worden opgenomen door veel eukaryote microben met variërende efficiëntie, en lokale toepassing van dsRNA met hoge RNA-opname-efficiëntie kan symptomen van plantenziekte duidelijk remmen.

Translationele controle van mRNA door het bewerken van regulerende elementen kan een andere efficiënte manier zijn om resistentie in tuinbouwgewassen te induceren. Stroomopwaartse open leesframes (uORF's) hebben een wijdverbreide regulerende rol bij het moduleren van mRNA-translatie in eukaryoten. Bovendien worden transgenvrije lijnen van planten met verbeterde eigenschappen gemakkelijk verkregen met CRISPR/Cas9, wat brede implicaties heeft voor gewasverbetering. Omdat uORF's op grote schaal worden aangetroffen in eukaryote mRNA's, kunnen deze regulerende elementen worden gemanipuleerd om de breedspectrumresistentie te verbeteren met minimale nadelige effecten op de normale groei, waardoor de genetische verbetering van tuinbouwgewassen aanzienlijk wordt bevorderd.

"Vanwege het belang van schimmelziekten bij het verlies van tuinbouwgewassen voor en na de oogst, hebben we ons gericht op plant-pathogeen-interacties en controletechnologie. Bovendien hebben de ontwikkeling en toepassing van omics-technologieën geleid tot grote datasets op meerdere niveaus, die verder zijn verbreed inzichten in de verdedigingsreacties tegen schimmelpathogenen," zei prof. Tian. De review paper onderzocht ook de beperkingen van eerdere studies en stelde toekomstige onderzoeksrichtingen voor voor genetische verbetering van resistentie in tuinbouwgewassen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Horticulture Research .