A bifunctional dermaseptin–thanatin dipeptide functionalizes the crop surface for sustainable pest management

To reduce pesticide use while preserving crop productivity, alternative pest and disease control measures are needed. We thought of an alternative way of functionalizing leaves of soybean to fight its most severe disease, Asian soybean rust (Phakopsora pachyrhizi). To do so, we produced bifunctional peptides that adhere to the soybean leaf surface and prevent the germination of P. pachyrhizi spores. In detail, amphiphilic peptides liquid chromatography peak I (LCI), thanatin (THA), tachystatin A2 (TA2), and lactoferricin B (LFB) were all fused to enhanced green fluorescent protein (eGFP). Of these fusion peptides, eGFP–LCI and eGFP–THA bound strongly and in a rainfast manner to the surface of soybean, barley, and corn leaves. eGFP–THA binding to soybean also withstood high temperature, sunlight and biotic degradation for at least 17 days. The dipeptides seem to bind mainly to the surface wax layer of leaves because eGFP–THA and eGFP–LCI did not stick to the wax-depleted cer-j59 mutant of barley or to corn leaves with their surface wax removed. A fusion of the antimicrobial peptide dermaseptin 01 and THA (DS01–THA) inhibits the germination of P. pachyrhizi spores in vitro and reduces Asian soybean rust disease in a rainfast manner. Therefore, this study reveals that bifunctional peptides can be used to functionalize the crop surface for sustainable disease management

Alternative Strategien für den Pflanzenschutz

According to estimates the worldwide population will exceed the mark of nine billion people until the year 2050. Tightly connected to this development, the demand for major crops for food and feed rises. To satisfy those demands is challenging, especially as the food production is threatened by various pathogens. Since over 150 years, pesticides are an effective tool to protect plants from pathogens. However, the extensive application of fungicides not only promotes the emergence of fungal strains with reduced sensitivity to active ingredients, but also raises ecological and health concerns. Thus, a worldwide reduction of pesticide use is demanded and therefore, alternative strategies for plant protection are desired. In this study, an approach was pursued, which is based on the usage of leaf binding peptides coupled with an antimicrobial protein. By application of the amphiphilic peptides “liquid chromatography peak I” (LCI) and thanatin (THA), the coupled eGFP protein was immobilized on soybean leaves. This binding withstood not only simulated but also natural rainfall. Furthermore, the bifunctional fusion protein DS01-THA serves as protective agent and reduces Asian soybean rust (SBR) severity on inoculated soybean plants by 30 % in a rainfast manner. Another strategy that might contribute to a more sustainable agriculture is based on the identification of naturally occurring antifungal compounds that may complement current disease management strategies which widely rely on the use of chemical fungicides. Therefore, in the second part of this study the focus was to identify antifungal molecules that are secreted to plant leaf surface. To disclose such plant protectants a variety of plant species were inoculated to identify plants on whose leaf surface the germination of P. pachyrhizi was impaired. Only sunflower plants were found to suppress the germination of fungal spores. This effect is likely associated with the presence of the fluorescent coumarins, scopoletin and ayapin. By investigating the biochemical function of enzymes from the phenylpropanoid pathway genes were identified, which are likely involved in coumarin biosynthesis in sunflower plants. Heterologous expression of candidate genes in E. coli facilitated the production of the coumarins esculetin, scopoletin, isoscopoletin and scoparone in precursor feeding experiments. When co-expressed in Nicotiana benthamiana HaF6’H1 and HaOMT3 not only enabled biosynthesis of antifungal scopoletin but also scoparone, which is not native to this plant. Because foliar applied scoparone provided protection of soybean from Asian soybean rust, engineering of this metabolic pathway in soybean may provide a possibility to reduce susceptibility to this devastating disease and decrease fungicide usage.In addition, whole transcriptome analysis of sunflower leaves identified CYP genes which expression correlated with the accumulation of ayapin upon treatment with CuCl2. This data may serve as a basis to elucidate the so far unknown biosynthetic route of this antifungal compound and enable engineering of crops that are capable of synthesizing ayapin. Generating plants that are capable of producing blends of different coumarins may hinder adaptation of pathogens to these antifungal substances and may provide more durable protection

Regenfeste Abgabesysteme zum Schutz der Weinrebe vor Rebenperonospora und Kirschessigfliege (Verbundvorhaben)

Das hier beschriebene Verbundvorhaben umfasst folgende Teilprojekte: FKZ 18OE002, FKZ 18OE039 und FKZ 18OE041 Im integrierten, vor allem aber auch im ökologischen Pflanzenschutz, bestehen seit langem Bedarfe und regulatorische Rahmenbedingungen, die einen reduzierten und effektiveren Einsatz von Pestiziden fordern. In den voraus gegangenen, durch das Bioeconomy Science Center NRW geförderten, Projekten „BiFuProts“, „GreenGel“ und „greenRelease“ wurde der Grundstein für eine neue auf einer Kombination aus Mikrogelen und Ankerpeptiden bestehende Technologie gelegt. Diese Plattform kombiniert Mikrogele und Ankerpeptide, um Pflanzenschutzmittel effektiver und umweltfreundlicher einzusetzen. Die Mikrogele können mit verschiedenen Wirkstoffen beladen werden, insbesondere mit Kupferionen, und durch adhäsive Peptide regenfest an Pflanzenoberflächen gebunden werden. Vorangegangene Projekte haben gezeigt, dass diese Technologie den Kupfereinsatz zum Schutz von Pflanzenkulturen erheblich reduzieren kann, ohne die Schutzwirkung zu beeinträchtigen. Das EcoGuard-Projekt zielt darauf ab, die Wirksamkeit dieser Technologieplattform bei der Bekämpfung von Rebenperonospora im ökologischen Weinbau zu validieren, wobei der Kupfereinsatz reduziert wird. Darüber hinaus sollen die Mikrogele biologisch abbaubar sein und die Technologie für den ökologischen Landbau zugänglich gemacht werden. In einem weiteren Teil des Projekts wird die "GreenGel"-Plattformtechnologie verwendet, um die Wirkung von Spinosad gegen die Kirschessigfliege im ökologischen Weinbau zu verbessern. Das Projekt strebt eine nachhaltige Stärkung des ökologischen Pflanzenschutzes an und befasst sich mit der Validierung der Technologie unter ökologischen Bewirtschaftungsvorschriften. Die Ergebnisse der Labor- und Freilandversuche deuten darauf hin, dass das Mikrogel auf Pektinbasis mit Kupferionen eine vergleichbare Wirksamkeit wie herkömmliche Kupferpräparate gegen Rebenperonospora aufweist. Es gibt jedoch Herausforderungen hinsichtlich der Haltbarkeit des Mikrogels auf den Blättern. Die Effektivität von mit Spinosad beladenen Mikrokapseln wurde ebenfalls untersucht und zeigt vielversprechende Ergebnisse, obwohl einige Verbesserungen erforderlich sind, um sie zur Anwendungsreife zu bringen. Das EcoGuard-Projekt trägt dazu bei, den Einsatz von Pestiziden im ökologischen Pflanzenschutz zu reduzieren und gleichzeitig die Schutzwirkung zu erhalten, wodurch ökologische Landwirtschaftspraktiken nachhaltiger gestaltet werden können