Development of new phytoeffectors reducing drought stress

Trockenheit, vor allem in Frühjahr und Sommer, ist in der Landwirtschaft der bedeutendste Faktor für Ertragsverluste. Die Anwendung von Phytoeffektoren ist ein möglicher Weg die Ertragsstärke der Pflanzen zu erhöhen. Phytoeffektoren sind kleine Molekülen, welche die Reaktion der Pflanze auf externe Stimuli wie Trockenheit verändern. Dabei ist keine genetische Manipulation der Pflanzen nötig, die Anwendung erfolgt temporär und lokal, ist für verschiedene Nutzpflanzen anwendbar und die bekannten Methoden zur Ausbringung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln können verwendet werden. Die Entwicklung von neuen Phytoeffektoren, die unseren Nutzpflanzen helfen Trockenperioden besser zu überstehen, ist ein wichtiger Schritt um Erträge zu verbessern und es wird erwartet, dass dies ein Milliarden-Euro-Markt wird.
Die Reaktionen von Pflanzen auf Trockenstress sind unterschiedlich, aber die meisten verwenden das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) um einen Teil ihrer Reaktionen zu regulieren. Unter Trockenstress steigen die internen Konzentrationen von ABA und führen zum Schließen der Spaltöffnungen, ändern das Genexpressionsmuster und lassen die Pflanze eine Stressphase überleben. Experimente mit gentechnisch veränderten Pflanzen zeigen, dass durch eine Verzögerung des ABA-Abbaus eine verstärkte Trockenstresstoleranz entsteht. Das für den ABA-Abbau verantwortliche Protein CYP707A kann aber auch durch kleine Moleküle inhibiert werden und die Pflanzen sind dann ebenfalls trockenstresstoleranter. Die Auswahl an bekannten Phytoeffektoren gegen Trockenstress ist klein, der Bekannteste (Imidacloprid, ein Insektizid) ist wegen seiner Nebeneffekte kritisch zu sehen.
In unserer vorhergehenden Forschung konnten durch virtuelles screening mit einem CYP707A-Modell neue Strukturen, die noch nicht als Pflanzenschutzmittel bekannt sind, gefunden werden. Diese Verbindungen zeigten in einem Trockenstressassay mit Weidelgras einen deutlichen positiven Effekt auf die Pflanzen.
Das Ziel dieses Projektes ist die Validierung der molekularen Zielstruktur und die Weiterentwicklung der anfänglichen Verbindungen (Screening-"Hits") in Leitstrukturen mit Entwicklungspotential für den Pflanzenschutz. Zur strukturellen Optimierung werden Methoden der medizinischen Chemie (Computermodelle und Synthese von Derivaten), der analytischen und der Pflanzenbiochemie verwendet. Mit Hilfe eines neuen in vitro Enzymassays sowie verschiedenen Trockenstressassays mit ganzen Pflanzen (Weidelgras und Gerste) sollen die Aktivität, die Löslichkeit und die Aufnahme über das Blatt verbessert werden. Die Messung dieser Verbindungen in Wurzel und Spross führt zu zusätzlichen Informationen. Solche Aufnahme- und Verteilungs-Messungen ("ADMET") stellen ein bisher wenig systematisch behandeltes Gebiet der Pflanzenforschung dar. Schlussendlich erwarten wir eine neue Leitstruktur, optimiert für die Anwendung an der Pflanze, welche weiterentwickelt werden kann für die Feldanwendung, Registrierung und Produktion