Neuchatel, Switzerland
January 17, 2012
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| Arabidopsis plant protected thanks to the “priming” of its defense reactions |
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| Arabidopsis plant not primed for defense |
A research team at the University of Neuchâtel has shown for the first time that stimulating a plant’s natural defences also increases the capacity for disease resistance in its descendants. The substances that were used to stimulate these defences are harmless to the environment and are simple to apply, which are desirable traits for agricultural tools. Carried out within the framework of the National Centre of Competence in Research (NCCR) Plant Survival, this study was recently published in the journal Plant Physiology.
“We apply treatments to plants in order to increase their natural ability to stimulate their own defences against pathogenic organisms, a well known method among specialists called priming, explains Brigitte Mauch-Mani, research director in the Laboratory of cell and molecular biology at the University of Neuchâtel. These treatments do not act directly on the genes, but on molecules situated close to the DNA. It is an epigenetic phenomenon, which means that changes in genome function are heritable. They occur without manipulating the plant’s DNA and then are passed on to their progeny.”
The experiments were carried out using Arabidopsis thaliana, a model plant used in research. The researchers compared the plants’ reactions when their defence mechanisms had been primed with either β-amino-butyric acid (BABA) or with an avirulent isolate of bacteria from the genus Pseudomonas. The control plants were simply treated with tap water. Compared to the progeny of control plants, the descendants of primed plants defended themselves faster and better against a vector of mildew and a pathogenic bacterium. Furthermore, the researchers observed that these plants showed a more rapid and higher accumulation of transcripts (i.e. copies of genetic information) of defence-related genes. Similar research carried out by Jurriaan Ton, a former post-doc of the NCCR Plant Survival, and his group at the University of Sheffield (UK) arrived at the same conclusion.
This mechanism is also effective against herbivorous insects. In the same edition of the journal Plant Physiology, Sergio Rasmann, a former member of the NCCR Plant Survival, observed during his post-doc at Cornell University (USA) that priming of defence responses in Arabidopsis against caterpillars persisted during two generations. In this case, the resistance was stimulated using methyl jasmonate or by exposing the parent plants to insect feeding. The results showed that caterpillars feeding on Arabidopsis plants whose parents had been primed developed much slower and saw their sized reduced by fifty percent.
“Applying this method could help to reduce pesticide use, observes Sergio Rasmann, who is currently working at the University of Lausanne. By reducing the amount of pesticides applied in fields, plants end up being more exposed to insect wounds. Paradoxically, these wounds reinforce the plant’s resistance, which will then be transmitted to the next generation. This is an interesting strategy that could benefit various plants since similar results were also obtained in tomato plants.”
“This natural mechanism helps plants to adapt to a hostile environment. However, the phenomenon is reversible. If the second generation is not subjected to a priming treatment, then resistance will be strongly diminished in the descendants and will eventually return to its normal state in future generations,” concludes Brigitte Mauch-Mani.
All of these characteristics make the application of defence elicitors a very promising strategy for sustainable agriculture that respects the environment.
Pflanzen geben Krankheitsresistenz an ihre Nachkommen weiter
Ein Forscherteam der Universität Neuenburg konnte zum ersten Mal aufzeigen, dass die Stimulierung der natürlichen Abwehrkräfte bei Pflanzen auch die Widerstandsfähigkeit ihrer Nachkommen verstärkt. Die zur Stimulierung dieser Resistenzen verwendeten Substanzen sind für die Umwelt unschädlich und ihre Anwendung ist denkbar einfach. Qualitäten also, welche sie für die Landwirtschaft zu besonders vielversprechenden Hilfsmitteln machen. Die im Rahmen des nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Plant Survival realisierte Arbeit ist kürzlich in der Fachzeitschrift Plant Physiology publiziert worden.
«Wir behandeln die Pflanzen mit diesen Substanzen, um ihre natürlichen Fähigkeit zur Stimulierung der eigenen Abwehrkräfte gegen Krankheitserreger zu erhöhen - eine bei Spezialisten unter der englischen Bezeichnung «priming» gut bekannte Methode», erklärt Brigitte Mauch-Mani, Forschungsdirektorin am Labor für Zell- und Molekularbiologie der Universität Neuenburg. «Diese Behandlungen wirken nicht direkt auf die Gene, sondern auf die Moleküle, die in der Umgebung der DNA angesiedelt sind. Es handelt sich hierbei folglich um ein epigenetisches Phänomen, oder anders gesagt, um eine indirekte und transitorische Modifikation der genetischen Information ohne Veränderung der DNA, die aber trotzdem auf die Folgegeneration übertragen wird.»
Die Experimente wurden an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) durchgeführt. Die Forscher haben die Reaktionen von Pflanzen miteinander verglichen, deren Abwehrmechanismen mit wässrigen Lösungen stimuliert wurden, welche entweder Beta-Aminobuttersäure (BABA) oder Suspensionen von nicht infektiösen Pseudomonas-Bakterien enthielten. Die Kontrollpflanzen wurden nur mit Leitungswasser gegossen. Im Verhältnis zu den Nachkommen der letztgenannten Pflanzengruppe zeigen die Folgegenerationen der «stimulierten» Ackerschmalwand-Exemplare eine bessere und schnellere Abwehr gegen falschen Mehltau sowie gegen ein pathogenes Bakterium. Ausserdem beobachteten die Forscher bei einigen Exemplaren eine raschere und höhere Anhäufung von Transkripten (Abschriften genetischer Information) von Genen, die mit Abwehr in Verbindung gebracht werden. Eine ähnlich gelagerte Untersuchung von Jurriaan Ton, Forscher an der Universität Sheffield (UK) und ehemaliger Postdoktorand des NCCR Plant Survival, ist im Übrigen zur selben Schlussfolgerung gelangt.
Dieser Mechanismus hat sich auch als wirksam gegen herbivore Insekten herausgestellt. In derselben Ausgabe der Zeitschrift Plant Physiology hat Sergio Rasmann, ein weiterer ehemaliger Mitarbeiter des NCCR Plant Survival, anlässlich seines Postdoc-Aufenthalts an der Universität Cornell (USA) beobachten können, dass eine Stimulation der Abwehrkräfte bei der Ackerschmalwand gegen Schadraupen während zwei Nachfolgegenerationen anhält. In diesem Fall wurde die Widerstandskraft mit der Anwendung von Methyljasmonat stimuliert, oder auch einfach, indem die Elternpflanzen dem Insektenfrass ausgesetzt wurden. Es zeigte sich, dass die Raupen, welche sich von Ackerschmalwandpflanzen ernährten, deren Eltern vorgängig einer Stimulation unterzogen worden waren, sich viel langsamer entwickelten und nur die Hälfte ihrer sonst üblichen Grösse erreichten.
«Diese Methode könnte es ermöglichen, den Einsatz von Pestiziden zu verringern», bemerkt Sergio Rasmann, der zurzeit an der Universität Lausanne arbeitet. «Denn indem der Eintrag von Pestiziden auf die Felder verringert wird, werden die Pflanzen stärker dem Frass von Schadinsekten ausgesetzt, und diese Verletzungen verstärken paradoxerweise die Widerstandskraft der Pflanze, welche sie an ihre Nachfolgegeneration weitergibt. Das ist eine interessante Strategie, von der diverse Kulturpflanzen profitieren könnten, da ähnliche Resultate bereits auch bei Tomaten erzielt worden sind.»
Die Schlussbemerkung von Brigitte Mauch-Mani: «Dieser natürliche Mechanismus bewirkt, dass sich die Pflanzen direkt an eine feindliche Umgebung anpassen können. Das Phänomen ist allerdings reversibel. Wird die zweite Generation nicht einer «Stimulierungsbehandlung» ausgesetzt, zeigen die Nachkommen eine stark verringerte Resistenz, welche schliesslich wieder zum Normalzustand der vorangehenden Generationen zurückkehren wird.»
All diese Argumente machen die Anwendung von Elizitoren, die Abwehrreaktionen auslösen, zu einem vielversprechenden Verfahren für eine nachhaltige und umweltschonende Landwirtschaft.
Plantes : résistance aux maladies en héritage
Une équipe de l’Université de Neuchâtel a démontré pour la première fois que la stimulation des défenses naturelles d’une plante augmente également la capacité de résistance aux maladies chez ses descendants. Les substances utilisées pour stimuler ces défenses sont inoffensives pour l’environnement et leur processus d’application est très simple. Des qualités qui en font des outils particulièrement prometteurs pour l’agriculture. Réalisé dans le cadre du Pôle de recherche national (NCCR) Survie des plantes, ce travail vient d’être publié dans la revue spécialisée Plant Physiology .
« Nous appliquons aux végétaux des traitements pour augmenter leur capacité naturelle à stimuler leurs propres défenses contre des agents pathogènes, une méthode bien connue des spécialistes sous le nom de « priming » en anglais, explique Brigitte Mauch-Mani, directrice de recherche au laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire de l’Université de Neuchâtel. Ces traitements n’agissent pas sur les gènes proprement dits, mais sur des molécules situées dans le voisinage de l’ADN. Nous sommes donc en présence d’un phénomène épigénétique, autrement dit d’une modification indirecte et transitoire de l’information génétique obtenue sans manipuler l’ADN, mais qui se transmet aux descendants. »
Les expériences ont été menées sur l’arabette des dames (Arabidopsis thaliana). Les chercheurs ont comparé les réactions de plantes dont les défenses ont été stimulées par des solutions aqueuses contenant soit de l’acide beta-amino-butyrique (BABA), soit des suspensions de bactéries non-virulentes du genre Pseudomonas. Les plantes de contrôle étaient simplement arrosées d’eau du robinet. Par rapport à la progéniture de ces dernières, les descendants des arabettes « stimulées » se défendent mieux et plus rapidement contre le vecteur du mildiou et une bactérie pathogène. Les chercheurs ont pu en effet observer chez ces individus une accumulation plus rapide et plus forte de copies d’information génétique provenant de gènes de défense de la plante. Une étude entreprise sur ce même sujet par l’équipe de Jurriaan Ton, chercheur à l’Université de Sheffield (UK) et ancien post-doctorant du NCCR Survie des plantes, est d’ailleurs arrivée à la même conclusion.
Ce mécanisme se révèle également efficace contre les insectes herbivores. Dans ce même numéro de la revue Plant Physiology, Sergio Rasmann, autre ancien membre du NCCR Survie des plantes, a observé durant un séjour post-doctoral à l’Université de Cornell (USA), qu’une stimulation de la résistance de l’arabette contre des chenilles persiste durant deux générations. Dans son cas, la résistance a été stimulée par l’application de jasmonate de méthyle ou simplement en exposant les plantes parentes à des insectes herbivores. Il s’ensuit que les chenilles qui se nourrissaient d’arabettes dont les parents avaient subi ces stimulations voient leur développement ralenti et leur taille réduite de moitié.
« Cette méthode pourrait permettre de réduire l’usage de pesticides, observe Sergio Rasmann, actuellement en poste à l’Université de Lausanne. En effet, en diminuant l’apport de pesticides dans les champs, on laisse des plantes exposées à des blessures d’insectes, mais ces blessures renforcent paradoxalement la résistance de la plante qui va être transmise à la génération suivante. C’est une stratégie intéressante qui pourrait bien profiter à différentes plantes, étant donné que des résultats similaires ont été également obtenus pour la tomate. »
Et Brigitte Mauch-Mani de conclure : « Ce mécanisme naturel fait que les plantes peuvent s’adapter directement à un environnement hostile. Le phénomène reste cependant réversible. Si l’on ne soumet pas la deuxième génération au traitement « stimulant », les descendants afficheront une résistance fortement diminuée qui finira par revenir à l’état normal dans les générations successives. »
Toutes ces caractéristiques font de l’application de stimulateurs de défenses une stratégie prometteuse pour une agriculture durable et respectueuse de l’environnement.
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