Researchers develop biohacking method against fungal attacks

Harmful fungi cause enormous losses in agriculture and traditional techniques for their control involve the use of highly toxic fungicides. To avoid this and in the framework of the DialogProTec project, researchers from the German Karlsruhe Institute of Technology (KIT), in collaboration with partners from Germany, France and Switzerland, have developed alternatives that act by deceiving the chemical communication of pathogens with plants.

This program was started to control the fungal infection "esca", which is considered a threat to wine production in Europe, causing millions of dollars in losses to grape growers every year. Esca causes the leaves to turn brown, after which the vine dies. 

“Esta enfermedad se conoce en el sur de Europa desde la Edad Media, pero nunca tuvo un papel importante”, explica la Dra. Alexandra Wolf, del Instituto Botánico del KIT, en Alemania, que coordina el proyecto DialogProTec. “Debido al cambio climático, el hongo se encuentra ahora con muchas plantas debilitadas por el estrés climático”. 

El enfoque nuevo e innovador de los investigadores de DialogProTec, funciona sin ninguna toxina peligrosa para el medio ambiente. “En la naturaleza, los organismos interactúan mediante señales químicas. Hemos sido capaces de identificar algunas de las señales entre el huésped y el patógeno, y de manipularlas”, dice Wolf, que asegura que este “biohack” es preciso y eficaz y tiene una huella ecológica mínima.

To develop this method, the KIT-led project founded an interdisciplinary research network with specialists in botany, fungal genetics, microsystems technology, organic chemistry and agricultural sciences. The network used about 20,000 fungal strains from the collection of the Institute for Biotechnology and Drug Research (IBFW) in Kaiserslautern in Germany and about 6,000 plant species from KIT.

The researchers worked only with individual cells to identify and exploit the appropriate signals, thus avoiding working with entire plants and fungi. A microfluidic chip developed jointly with KIT's Institute of Microstructure Technology served as the basis for creating a miniature ecosystem. 

Primero pusieron células de plantas y hongos en chips de unos pocos centímetros cuadrados para que no puedan entrar en contacto físico, pero sí interactuar químicamente gracias a una corriente de microfluidos. Christian Metzger del Instituto Botánico del KIT, explica que “para hacer visible esta interacción, equipamos el material genético de las células vegetales con un interruptor genético y un gen de fluorescencia. Cuando una señal química activa el sistema inmunitario, podemos medir la fluorescencia verde”. Los interruptores genéticos proceden de vides silvestres, en las que los investigadores habían detectado previamente una respuesta inmunitaria especialmente activa.

Durante sus investigaciones, los científicos descifraron primero la comunicación química entre el hongo y la planta que acompaña a un ataque fúngico y una de las cosas que identificaron, fueron las sustancias de señalización que el hongo utiliza para suprimir la respuesta inmunitaria de la planta. “Forman parte de una interacción química conformada por un largo proceso evolutivo y se producen en cuanto el hongo detecta señales de estrés específicas de la planta”, explica el profesor Peter Nick, que dirige el proyecto y el Instituto Botánico. El equipo identificó moléculas que podrían ser utilizadas para reactivar la respuesta inmunitaria, ya que como explica el profesor, cuando las usaron para la protección de cultivos, vieron que a menudo pueden protegerse del hongo. “Se puede pensar en ello como una vacuna para las plantas”, ejemplifica Nick.

DialogProTec's new technology is already underway and will soon be tested in the field. In addition to their work on an alternative to fungicides, the project team has also developed new approaches to promote plant growth or weed control, where signaling substances could also be substitutes for chemically toxic herbicides in the future.

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