Nanosonden-gestützte Detektionsverfahren für Pflanzenkrankheiten

Wenn Pflanzen unspezifische Krankheitssymptome aufweisen, ist die Bestimmung des Erregers arbeits- und zeitaufwändig und erfordert meist Labordiagnostik. Das Ergebnis liegt oft erst nach mehreren Tagen vor. Das ist problematisch, da die Gefahr der Übertragung gerade bei hochansteckenden Quarantäneerregern groß ist und dann der ganze Pflanzenbestand vernichtet werden muss.

Im Projekt »Nanosonden-gestütztes Screeningverfahren zur Pflanzenpathogen Detektion« (NanoSPoD) steht der Quarantäneschaderreger Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV) im Fokus, der zu großen Ernteverlusten bei Tomaten- und Paprikapflanzen führt. Um die Verbreitung zu begrenzen, soll u.a. für Kontrollbehörden wie die Landwirtschaftskammern ein schnelles mobiles Testsystem entwickelt werden. Bei unserem Analyseverfahren werden Viren spezifisch durch Antikörper-gekoppelte magnetische Nanosonden markiert und die Virusmenge mit einem mobilen Handheld-Messgerät über das magnetische Messsignal bestimmt. Nach einer kurzen Probenvorbereitung können vor-Ort-Analysen innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden, was einen großen zeitlichen Vorteil gegenüber der Labordiagnostik bedeutet.

Zur Reinigung der Probe und Steigerung der Sensitivität kann mittels magnetischer Anreicherung Virus aus homogenisiertem Pflanzenmaterial abgetrennt und aufkonzentriert werden. Dabei werden die von magnetischen Nanosonden gefangenen Viren mithilfe eines Magneten an der Probengefäßwand abgeschieden. Die Flüssigkeit kann entfernt und die Nanosonden in einem kleineren Volumen Puffer resuspendiert werden. Für die Messung wird die angereicherte Probe über eine mit Virus-spezifischem Antikörper beschichtete Säulenmatrix gegeben. Die mit magnetischen Nanosonden markierten Viren werden dann an der Matrixoberfläche gefangen und die Konzentration des Virus kann anhand einer Kalibrierung über das magnetische Messsignal bestimmt werden. Durch Weiterentwicklung des magnetischen Messgeräts soll zukünftig auch die quantitative Messung mehrerer Krankheitserreger in einer Probe möglich gemacht werden.

Neben dem mobilen Testsystem für definierte Erreger wird ein zweiter Ansatz für die Bestimmung von unbekannten Krankheitserregern entwickelt. Als Basis dienen »Next Generation Sequencing« (NGS)-Verfahren, die in den letzten Jahren die Entschlüsselung von genetischer Information kostengünstiger und schneller gemacht haben. In unserem NGS-Screening wird zunächst die RNA der Probe sequenziert und anschließend das Pathogen anhand von Übereinstimmungen der Sequenzen mit der vom Projektpartner Computomics GmbH aufgebauten neuen Sequenzdatenbank »MorpheusFood« bestimmt. Im Rahmen des Projekts konnten so erfolgreich Proben von 5 verschiedenen Pathogenen identifiziert werden. Darunter befinden sich neben dem Tobacco mosaic virus (TMV) und dem Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV), das Beet mild yellowing virus, das Potato virus Y und das Konjac mosaic virus, die verschiedene landwirtschaftlich und ökonomisch wertvolle Pflanzen infizieren. Die Detektion des TMV gelang bereits in Proben von Pflanzen, die erst seit einem Tag mit TMV infiziert waren. Auch der ToBRFV konnte in niedrig konzentrierten Proben sicher nachgewiesen werden. Zukünftig sollen mit dem innovativen NGS Screening-Verfahren auch andere Pathogenklassen wie pilzliche oder bakterielle Erreger erkannt werden und das Verfahren im Hinblick auf Schnelligkeit optimiert werden. Auch Einsatzmöglichkeiten des leistungsfähigen Analyseansatzes im umweltanalytischen und medizinisch-diagnostischen Bereich werden angestrebt. Das NGS-Verfahren bietet den Vorteil, dass neben bekannten Krankheitserregern auch neue identifiziert werden können. Die Verfügbarkeit mobiler Sequenzierungsgeräte macht in Zukunft auch den mobilen Einsatz unseres NGS-Screenings denkbar.