Forscher des Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) Bio-inspirierte Materialien und des Biologiedepartements der Universität Freiburg haben entdeckt, wie bestimmte Siliziumdioxid-Nanopartikel als spurlose, abbaubare und hocheffiziente Behandlung gegen einige Pflanzenschädlinge wirken.

Eine der grössten Herausforderungen für die heutige Landwirtschaft ist der enorme Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden. Da immer mehr Produkte verboten werden oder als gefährlich für die Gesundheit von Mensch und Tier gelten, sind Ersatzlösungen gefragt. Ein möglicher neuer Ansatz ist die Anregung der pflanzeneigenen Immunabwehr gegen Pflanzenschädlinge. Bekanntermassen ruft die im Boden natürlich vorkommende Kieselsäure solche Reaktionen in Pflanzen hervor. Amorphe Silikat-Nanopartikel können Kieselsäure in kleinen Mengen freisetzen. Diese Nanopartikel sind weit verbreitet und kommen in vielen Kulturpflanzen wie Getreide natürlich vor. Sie sind auch Bestandteil von lebensmittelechtem Siliziumdioxid (SiO2), das auf Etiketten und Verpackungen als E551 bezeichnet wird, und das seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Produkten wie Kochsalz, Pillen oder Proteinpulvern verwendet wird, um ein Verklumpen zu vermeiden.

Verbesserung der Resistenz

Vor diesem Hintergrund wollten die Freiburger Forscher eine umweltverträgliche Nano-Agrochemikalie entwickeln für die gezielte Abgabe von Kieselsäure und zur Anregung der Pflanzenabwehr. Sie synthetisierten Siliziumdioxid-Nanopartikel mit ähnlichen Eigenschaften wie diejenigen, die in Pflanzen vorkommen. Um ihre Effizienz zu testen, verabreichten sie die Nanopartikel Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), einem weit verbreiteten Pflanzenmodell, das mit dem bakteriellen Schädling Pseudomonas syringae infiziert war. Die Ergebnisse zeigten, dass die Nanopartikel die Resistenz gegen das Bakterium dosisabhängig steigern konnten, indem sie das pflanzliche Abwehrhormon Salizylsäure (das auch der Wirkstoff von Aspirin ist) stimulieren. Die Forscher untersuchten auch die Wechselwirkungen der Nanopartikel mit den Blättern der Pflanze. Sie konnten zeigen, dass die Aufnahme und Wirkung der Nanopartikel ausschliesslich über die Spaltöffnungen (Stomata) erfolgt, durch die die Pflanzen atmen. Die Nanopartikel verteilten sich nicht weiter in den Pflanzen, und die Partikel bauen sich in Gegenwart von Wasser spurlos ab - ein wichtiger Aspekt für die Umwelt- und Lebensmittelsicherheit. Im Vergleich zu reiner Kieselsäure, die bereits im Pflanzenschutz eingesetzt wird, verursachten die Silikat-Nanopartikel aufgrund der langsamen Freisetzung des Wirkstoffs weniger Stress für die Pflanzen und für andere Bodenmikroorganismen. Die Studie, die in der hochrangigen Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, zeigt, dass bestimmte Silikat-Nanopartikel als kostengünstige, hocheffiziente, sichere und nachhaltige Alternative für den Schutz vor Pflanzenkrankheiten dienen könnten.

Innovation

Zukünftige Untersuchungen könnten auf ein breiteres Spektrum von Pflanzenschädlingen abzielen, so die Forscher, etwa auf andere Bakterien, Insekten oder Viren. Sie betonen auch, dass vor einer breiten Anwendung von Nanopartikeln in der Landwirtschaft eine gründliche Analyse erforderlich ist, um den möglichen langfristigen Verbleib von Silikat-Nanopartikeln in der Umwelt zu bewerten.

Der Studie, einer Zusammenarbeit unter der Leitung der NFS Forscherin Dr. Fabienne Schwab (Adolphe Merkle Institut, BioNanomaterialien) und dem Postdoktoranden Dr. Mohamed El-Shetehy der Universität Freiburg, ging ein erstes Anwendungsprojekt voraus. Schwab entwickelte einen patentierten abbaubaren Nanopartikel zur gezielten Abgabe von Wirkstoffen und zur Stimulierung der Pflanzenresistenz. Im laufenden Jahr hat Schwab mit Unterstützung von Innosuisse zusammen mit ihren Partnern an der Fachhochschule Westschweiz - Fribourg und der Berner Fachhochschule Schule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften angefangen, Feldversuche durchzuführen und die Produktion der Nanopartikel zu vereinfachen.

Referenz:  El-Shetehy, M.; Moradi, A.; Meceroni, M.; Reinhardt, D.; Petri-Fink, A.; Rothen-Rutishauser, B.; Mauch, F.; Schwab, F. Silica nanoparticles enhance disease resistance in Arabidopsis plants. Nature Nanotechnology, 2020  DOI: 10.1038/s41565-020-00812-0