Knoblauch im Pflanzenschutz - Wirkung, Anwendungsmöglichkeiten und molekularbiologische Studien : unter besonderer Berücksichtigung des Inhaltsstoffes Allicin

Portz, Daniela; Slusarenko, Alan

doi:2227

Knoblauch im Pflanzenschutz - Wirkung, Anwendungsmöglichkeiten und molekularbiologische Studien : unter besonderer Berücksichtigung des Inhaltsstoffes Allicin = Garlic in plant protection : effect, possible use and molecular biological studies with special regard to the active ingredient allicin

Portz, Daniela (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniela Portz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangVI, 220 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Slusarenko, Alan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-03-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-22274
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50007/files/Portz_Daniela.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Allicin (Genormte SW) ; Knoblauch (Genormte SW) ; Alliinlyase (Genormte SW) ; Phytophthora infestans (Genormte SW) ; Alternaria (Genormte SW) ; Tomate (Genormte SW) ; Karotte (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Allicin (frei) ; Garlic (frei) ; Alliinlyase (frei) ; Phytophthora infestans (frei) ; Alternaria (frei) ; Tomato (frei) ; Carrot (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die antimikrobielle Wirksamkeit des Knoblauchs (Allium sativum), die hauptsächlich durch das Diallylthiosulfinat „Allicin“ verursacht wird, ist schon seit vielen Jahrhunderten bekannt. Das Allicin wird gebildet, wenn Knoblauchgewebe verletzt wird und so das Substrat Alliin ((+)-S-2 Propenyl-L-cystein-S-oxid) mit dem Enzym Alliinase (EC 4.4.1.4) zusammenkommt. Das Allicin ist leicht membranpermeabel und geht häufig Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen ein. Es wird angenommen, dass diese Eigenschaften für die antimikrobielle Wirkung des Allicins verantwortlich sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es einen Beitrag zur möglichen Entwicklung eines Knoblauchbasierten Pflanzenschutzmittels zu leisten. Dies sollte auch Studien zur Wirkungsweise des Knoblauchs bzw. des Allicins beinhalten. So wurde die Effektivität von in Knoblauchsaft enthaltenem Allicin zur Bekämpfung verschiedener Pflanzenkrankheiten getestet. Für diese Untersuchungen wurden Modellpathogensysteme wie Tomate (Solanum lycopersicum) / Phytophthora infestans und Solanum lycopersicum / Alternaria solani verwendet, aber auch Systeme mit samenbürtigen Krankheiten wie Karotte (Daucus carota) / Alternaria spp.. Auf diese Weise konnten verschiedene Anwendungsmöglichkeiten des Knoblauchsaftes zur Behandlung von Pflanzen gegen phytopathogene Organismen gefunden werden, die teilweise eine vergleichbar gute Wirkung zeigten wie auf dem Markt befindliche Pflanzenschutzmittel. Versuche zur Formulierung des Knoblauchsaftes, um die Langzeitwirkung zu verbessern, erbrachten einige positive Ergebnisse. Auch erste Freilandversuche zur Kontrolle der Krautfäule an Kartoffel wurden durchgeführt. Untersuchungen zum Wirkmechanismus des Knoblauchsaftes zeigten eine deutliche Reduktion der Keimrate und des Keimschlauchwachstums von Sporangien und encystierten Zoosporen von Phytophthora infestans. Mit Hilfe des Modellsystems Saccharomyces cerevisiae konnte nachgewiesen werden, dass Allicin in Knoblauchsaft die Hefe-Zellen in einen oxidierteren Zustand bringt und so Apoptose induziert. Dieses Ergebnis konnte auf zellulärer Ebene durch Experimente mit einem apoptose-spezifischen Fluoreszenzmarker, durch den aktive Caspasen nachgewiesen werden, die eine zentrale Rolle bei der Apoptose-Induktion spielen, bestätigt werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, grundlegende Fragen bezüglich eines gentechnischen Ansatzes zum Nutzen des antimikrobiellen Prinzips des Knoblauchs im Pflanzenschutz zu untersuchen. Dazu wurde eine cDNA der Alliinase aus Knoblauch durch RT-PCR kloniert und sowohl in Hefe als auch in Arabidopsis thaliana eingebracht. Obwohl das Protein in Hefe mittels Western Blot nachgewiesen werden konnte, war hier keine Alliinase-Aktivität zu verzeichnen. Im Gegensatz dazu konnte in Arabidopsis eine Aktivität detektiert werden und damit zum ersten Mal eine aktive Alliinase aus Knoblauch in transgenen Pflanzen synthetisiert werden. Untersuchungen zur Lokalisation der Alliinase, bei denen auch verschiedene potentielle Signalsequenzen getestet wurden, führten zu keiner endgültigen Aussage. Eine Weiterentwicklung der gezeigten Einsatzmöglichkeiten von Knoblauch im Pflanzenschutz scheint sowohl im Hinblick auf eine Formulierung des Knoblauchsaftes als auch hinsichtlich der Integration in Saatgutbehandlungen, insbesondere für die Anwendung unter Gewächshausbedingungen oder im Hobbygarten, interessant. Es sollte hierbei jedoch auch eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt werden. Zusätzlich wäre es möglich, einen gentechnischen Ansatz zu verfolgen, bei dem das Alliinasegen in Zielpflanzen eingebracht wird, um diese unter bestimmten Bedingungen resistenter gegenüber Pathogenen zu machen.

The antimicrobial properties of garlic (Allium sativum), mainly due to the diallylthiosulfinate “Allicin”, have been known for centuries. Allicin is produced when garlic tissues are damaged and the substrate alliin (S-allyl-L-cysteine sulphoxide) mixes with the enzyme alliinase (EC 4.4.1.4). Allicin is readily membrane permeable and undergoes thiol-disulphide exchange reactions with free thiol groups in proteins. It has been suggested that these properties are the basis of its antimicrobial action. The objective of the present work was to contribute to the development of a garlic-based fungicide, including mode of action studies. Therefore, the effectiveness of allicin in garlic juice as a means of controlling plant disease was tested in model pathosystems including tomato / Phytophthora infestans, tomato / Alternaria solani and seed borne diseases such as carrot / Alternaria spp.. Successful protocols, often comparable with the effectivity of commercial treatments, were developed and preliminary experiments with formulations to enhance the long lasting activity were carried out. Initial field trials to assess the performance of allicin in garlic juice at controlling potato leaf blight were also carried out. Investigations of the mode of action of allicin in garlic juice showed a clear reduction in germination and germ-tube growth of sporangia and cysts of Phytophthora infestans. Using Saccharomyces cerevisiae as a model organism it was demonstrated that allicin in garlic juice pushes the cells into an oxidized state where they entered into apoptosis. These results were confirmed at the cellular level using an apoptosis-specific fluorescent probe and confocal laser scanning microscopy to detect active caspases. An additional objective of the present work was to clarify basic requirements mandatory for a genetic engineering approach. Therefore an alliinase cDNA was cloned from garlic by RT-PCR and expressed in yeast and in Arabidopsis thaliana. Although alliinase protein could be detected in yeast by Western blotting it was enzymatically inactive. However, activity was detected in Arabidopsis transformants as a first report of the expression of active alliinase in a transgenic plant species. Investigations, concerning the localization of the enzyme, including studies with different potential signal sequences of garlic alliinase, did not result in a final conclusion. The results show that it appears to be worthwhile to further develop a strategy for using garlic or allicin as a plant protection agent especially for use under glasshouse conditions or in hobby gardening. However, further research work will be necessary to develope a garlic / allicin based plant protection concept including a cost / benefit analysis. In addition there is the possibility of employing a biotechnological approach incorporating the alliinase gene into target plants to assess if resistance to pathogens can be increased under appropriate circumstances.

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