Halle-Wittenberg, Germany
March 18, 2025
New RNA-based active agents reliably protect plants against the Cucumber mosaic virus (CMV), the most common virus in agriculture and horticulture. They were developed by researchers at the Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). The active ingredients have a broad spectrum effect; a series of RNA molecules support the plant's immune system in combating the virus. In laboratory experiments, 80 to 100 per cent of the treated plants survived an infection with a high viral load, as the team reports in "Nucleic Acids Research". Their paper has been selected as a "breakthrough article" by the journal. The researchers are now working on transferring the idea from the laboratory into practice.
The active ingredient reliably protects plants against the cucumber mosaic virus. Both plants were infected with the virus, but the specimen on the left in the picture was not protected. / Foto: Uni Halle / Heiko Rebsch
Cucumber mosaic virus is a particularly devastating virus for crops. About 90 species of aphids transmit the virus, which affects more than 1,200 plant species. These include numerous agricultural crops such as squash, cucumbers, cereals and medicinal and aromatic plants. Infected plants are easily identified by a characteristic mosaic pattern on their leaves. Once infected, the plants fail to thrive and their fruits cannot be sold. To date, there exist no approved agents against CMV. However, the new work by researchers at MLU could provide a long-term solution. The basic idea is to fight the virus by directing the plant’s natural defences in the right direction.
When a virus infects a plant, it uses the plant's cells as a host. The virus multiplies via its genetic material in the form of ribonucleic acid (RNA) molecules in the plant cells. Once injected, these foreign RNA molecules trigger an initial response from the plant's immune system. Special enzyme scissors recognize and cut the viral RNA molecules. This process produces small interfering RNAs (siRNAs), which spread throughout the plant and trigger a second step of the immune response. The siRNA molecules bind to special protein complexes and guide them to the RNA molecules of the virus. Once there, the proteins begin to break down the harmful RNA molecules of the virus by converting them into harmless, degradable fragments.
"In general, this defence process is not very effective. A viral infection produces many different siRNA molecules, but only a few have a protective effect," says Professor Sven-Erik Behrens from the Institute of Biochemistry and Biotechnology at MLU. His team has developed a method to identify siRNA molecules that are highly efficient in the process. In a further important step, they were now able to combine several of these siRNA molecules into so-called efficient double-stranded RNA molecules (edsRNAs), which are particularly suitable for use in plants. These edsRNAs act as a kind of "package" that is broken down into the siRNAs soon after entering the plant cells. In this way, a large number of highly effective siRNA molecules can exert a protective, antiviral effect on the spot.
The team conducted numerous laboratory experiments on the model plant Nicotania benthamiana and was able to show that edsRNA-based active agents reliably protect against the Cucumber mosaic virus. "The plants in our experiments were infected with a very high viral load: all of our untreated plants died," explains Behrens. In contrast, 80 to 100 per cent of the treated plants survived. There’s another special advantage of edsRNA agents: when the package is broken down, a bunch of efficient siRNA molecules is produced that exclusively attack the virus at different sites. This significantly increases the protective effect. "RNA viruses such as the Cucumber mosaic virus are dangerous because they can evolve rapidly. In addition, the genetic material of this virus is made up of three separate parts, which can get mixed up, further increasing the chance of new mutations. To achieve maximum protection against the virus, our active ingredients target different parts of the genome," says Behrens. The team has also optimized the process of screening for efficient siRNAs and can adapt the procedure to target new viral mutations within two to four weeks. "Time is an important factor: when a new virus variant emerges, we can very quickly modify the active agent accordingly," Behrens explains. The approach may also be applied to other pathogens and pests.
Until now, the substances have been administered manually in the laboratory, either by injection or by rubbing them into the plant leaves. The team is working with pharmacist and drug delivery specialist Professor Karsten Mäder at MLU to make the RNA-based substances more durable and easier to apply to plants. For example, they could be sprayed on. At the same time, the researchers are planning field trials to test the RNA-based substances under real conditions. And they are talking to companies about future industrial production. In addition, potential new crop protection products still have to go through an approval process, so it will be some time before a product to combat Cucumber mosaic virus enters the market. "However, we are convinced that our approach is feasible. The first crop protection product with an RNA-based active ingredient was recently approved in the USA," says Behrens.
The editors of "Nucleic Acids Research" selected the paper by the MLU researchers as a "breakthrough article". Only two to three per cent of the articles published in "Nucleic Acids Research" receive this special designation every year. Around 1,300 articles appeared in the journal in 2024.
The work was funded by the German Research Foundation (DFG), the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and the state of Saxony-Anhalt.
Study: Knoblich M. et al. A new level of RNA-based plant protection - dsRNAs designed from functionally characterized siRNAs highly effective against Cucumber Mosaic Virus. Nucleic Acids Research (2025). doi: 10.1093/nar/gkaf136
Pflanzenschutz: Forschende entwickeln neuen Wirkstoff gegen weit verbreitetes Pflanzenvirus
Ein neuartiger Wirkstoff schützt Pflanzen zuverlässig vor dem am häufigsten auftretenden Virus in Landwirtschaft und Gartenbau: dem Gurkenmosaikvirus. Entwickelt wurde der Wirkstoff von Forschenden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Er besteht aus RNA-Bausteinen, die das Immunsystem der Pflanzen beim Kampf gegen das Virus unterstützen. Auch bei einer hohen Virenlast überlebten 80 bis 100 Prozent der behandelten Pflanzen eine Infektion im Labor. Über die Forschung berichtet das Team in der Fachzeitschrift "Nucleic Acids Research". Die Arbeit wurde vom Journal als "Breakthrough Article" eingestuft. Das Team arbeitet nun daran, die Idee vom Labor in die Praxis zu übertragen.
Das Gurkenmosaikvirus ist im Pflanzenbau gefürchtet. Etwa 90 Blattlausarten übertragen das Virus, das mehr als 1.200 Pflanzenarten befällt. Dazu zählen auch zahlreiche landwirtschaftliche Nutzpflanzen wie Kürbisse, Gurken, Getreide sowie Heil- und Gewürzpflanzen. Schnell zu erkennen ist das Virus anhand des charakteristischen, mosaikartigen Musters auf den Blättern der befallenen Pflanzen. Diese entwickeln sich schlecht, ihre Erträge können nicht vermarktet werden. Ein Pflanzenschutzmittel gegen das Virus ist in Deutschland nicht zugelassen. Langfristig könnte hier die neue Arbeit der MLU-Forschenden Hilfe versprechen. Die Grundidee: die pflanzliche Abwehr gegen das Virus in die richtige Richtung zu lenken.
Befällt ein Virus eine Pflanze, nutzt es deren Zellen als Wirt. Es bringt sein Erbgut in Form von Ribonukleinsäure-Molekülen (RNAs) in die Pflanzenzellen ein, um sich zu vermehren. Dort lösen diese fremden RNA-Moleküle eine erste Abwehrreaktion des Immunsystems aus: Spezielle Enzym-Scheren erkennen die Virus-RNAs und zerschneiden sie. Dabei entstehen "small interfering RNAs" (siRNAs). Diese können sich in der Pflanze verbreiten und eine zweite Stufe der pflanzlichen Verteidigung einleiten. Dabei binden die siRNA-Moleküle an spezielle Proteinkomplexe und leiten diese zu den Virus-RNAs. Dort beginnen die Proteine damit, die schädlichen Virus-RNA-Moleküle in harmlose Teile zu zerlegen und abzubauen.
"Insgesamt ist dieser Abwehrprozess nicht besonders effektiv. Bei einer Virusinfektion entstehen sehr viele verschiedene siRNA-Moleküle, von denen nur die wenigsten eine Schutzwirkung haben", sagt Prof. Dr. Sven-Erik Behrens vom Institut für Biochemie und Biotechnologie der MLU. Sein Team hat eine Methode entwickelt, um gezielt effiziente siRNA-Moleküle zu identifizieren. In einem neu entwickelten Verfahren lassen sich verschiedene dieser effizienten siRNA-Moleküle weiterverarbeiten und in so genannten effizienten doppelsträngigen RNA-Molekülen (edsRNAs) kombinieren. Diese edsRNAs dienen quasi als Paket, das in den Pflanzenzellen wieder in die effizient antiviral wirksamen siRNAs zerlegt wird. Diese können dann vor Ort ihre schützende Wirkung entfalten.
In zahlreichen Laborexperimenten an der Modellpflanze Nicotania benthamiana konnte das Team zeigen, dass edsRNA-Wirkstoffe zuverlässig gegen das Gurkenmosaikvirus schützen. "Wir haben in unseren Experimenten eine sehr hohe Virenlast verwendet, die alle unbehandelten Pflanzen sterben lässt", sagt Behrens. Waren die Pflanzen behandelt, überlebten 80 bis 100 Prozent. Der besondere Vorteil des edsRNA-Wirkstoffs: Beim Zerlegen des Pakets entstehen mehrere effiziente siRNA-Moleküle, die ausschließlich das Virus an verschiedenen Stellen attackieren. So steigt die Schutzwirkung erheblich. "RNA-Viren wie das Gurkenmosaikvirus sind gefährlich, weil sie sich schnell weiterentwickeln können. Außerdem besteht das Erbgut dieses Virus aus drei separaten Teilen, was die Chance auf neue Mutationen weiter erhöht. Um einen maximalen Schutz gegen das Virus zu erreichen, setzen unsere Substanzen deshalb an verschiedenen Stellen des Erbguts an", sagt Behrens. Außerdem hat das Team das Verfahren optimiert und kann den Wirkstoff innerhalb von zwei bis vier Wochen an Mutationen anpassen. "Zeit ist ein sehr wichtiger Faktor: Wenn eine neue Virenvariante auftaucht, können wir sehr schnell neue RNA-Ziele ausmachen und den Wirkstoff entsprechend verändern", erklärt Behrens. Der Ansatz lässt sich dem Forscher zufolge auch auf andere Krankheitserreger übertragen.
Bislang wird der Wirkstoff im Labor in Pflanzenblätter gespritzt oder in die Pflanzen eingerieben. Das Team erforscht in Kooperation mit dem Pharmazeuten Prof. Dr. Karsten Mäder von der MLU, wie sich die RNA-Wirkstoffe haltbarer machen lassen und gleichzeitig besser in die Pflanzen gebracht werden können. Denkbar wäre dann zum Beispiel, sie als Spray auf die Pflanzen aufzubringen. Gleichzeitig planen die Forschenden Feldversuche, um die RNA-Wirkstoffe auf Ackerflächen zu testen. Und sie sind mit Unternehmen im Gespräch, die die Wirkstoffe künftig im industriellen Maßstab herstellen könnten. Außerdem müsste ein mögliches neues Pflanzenschutzmittel noch einen Zulassungsprozess durchlaufen. Bis ein fertiges Mittel gegen das Gurkenmosaikvirus auf den Markt kommen könnte, bedarf es also noch etwas Zeit. "Wir sind aber davon überzeugt, dass unser Ansatz auch in der Praxis funktionieren kann. Das erste Pflanzenschutzmittel auf der Basis eines RNA-Wirkstoffes ist kürzlich in den USA zugelassen worden", sagt Behrens.
Die Redaktion von "Nucleic Acids Research" stuft die Arbeit der MLU-Forscherinnen und -Forscher als "Breakthrough Article" ein. Dieses besondere Label erhalten jährlich nur zwei bis drei Prozent der in "Nucleic Acids Research" veröffentlichten Artikel. 2024 erschienen etwa 1.300 Aufsätze in dem Journal.
Gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie vom Land Sachsen-Anhalt.
Studie: Knoblich M. et al. A new level of RNA-based plant protection - dsRNAs designed from functionally characterized siRNAs highly effective against Cucumber Mosaic Virus. Nucleic Acids Research (2025). doi: 10.1093/nar/gkaf136
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