Spotlight Dezember 2021: Kieselsäure-Nanopartikel verbessern die Resistenz gegen Krankheiten von Pflanzen

Die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber verschiedenen Erregen von Pflanzenkrankheiten wird in der Landwirtschaft häufig mit verschiedenen Chemikalien („Dünger“) erhöht. Eine neue Richtung wird mit der Verwendung von Nanopartikeln eingeschlagen. Diese können auf die Pflanzen aufgesprüht werden. In der vorliegenden Studie wurde an der Modelpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis) untersucht, ob Siliziumdioxid Nanopartikeln (SiO₂) die Widerstandsfähigkeit gegenüber Bakterien erhöhen kann. Dazu wurden die Pflanzen mit Siliziumdioxid Nanopartikeln vorbehandelt und anschließend mit Bakterien infiziert. Das Pflanzenhormon Salicylsäure spielt in der Abwehr von Erregern bei Pflanzen eine große Rolle. Es wird auch in der Humanmedizin als fiebersenkendes Medikament eingesetzt. Der Gehalt an Salicylsäure in den Blättern der Ackerschmalwand gab daher Auskunft über die Schutzfunktion der Siliziumdioxid Nanopartikeln.
Zunächst konnte eine Aufnahme der Siliziumdioxid Nanopartikeln über die Poren der Blätternachgewiesen werden. Im Anschluss kommt es zu einer langsamen Freisetzung von (Ortho)kieselsäure [Si(OH)₄] im Inneren der Blätter. (Ortho)kieselsäure führt schließlich zur vermehrten Bildung von Salicylsäure durch die Pflanze, worauf der eigentliche Schutz vor bakteriellen Infektionen zurückzuführen ist. Dabei zeigt sich, dass die Gabe von Siliziumdioxid Nanopartikeln sicherer für die Pflanze war, als die direkte Verabreichung von (Ortho)kieselsäure. Denn der direkte Einsatz von (Ortho)kieselsäure führte zu zellulären Stressreaktionen, die auch äußerlich durch eine Gelbfärbung der Blätter sichtbar wurde. Im Gegensatz dazu zeigte Siliziumdioxid Nanopartikeln in hohen Konzentrationen keine toxische Wirkung, da die Freisetzung des wirksamen (Ortho)kieselsäure nur langsam erfolgt (Depotwirkung). Um eine schützende Wirkung für die Pflanze zu entfalten, werden nur sehr geringe Mengen an nanopartikulären Siliziumdioxid benötigt, was es zu einer kostengünstigeren Alternative für andere Stoffe macht.
Die Autoren weißen darauf hin, dass trotz der positiven Eigenschaften von Siliziumdioxid Nanopartikeln für die Pflanzengesundheit auch die Langzeitwirkungen auf Landwirtschaftsarbeiter, Bodenmikroorganismen und Bienen untersucht werden müssen. Bisherige Ergebnisse mit Fadenwürmer deuten auf eine 36-fach geringere Toxizität der Nanopartikel, verglichen mit flüssigem (Ortho)kieselsäure hin. Somit können Siliziumdioxid Nanopartikeln eine sichere und nachhaltige Chemikalie für Schutz vor Pflanzenkrankheiten sein.

Original Publikationen:
El-Shetehy M., Moradi A., Maceroni M., et al. Silica nanoparticles enhance disease resistance in Arabidopsis plants. Nat Nanotechnol. 2021;16(3):344-353. doi:10.1038/s41565-020-00812-0

Mehr Infos zu Siliziumdioxid Nanopartikeln in unserem Materialtext.