Microtubules as target of new herbicides

Die Entdeckung von Herbiziden revolutionierte die Herangehensweise zur modernen Un
krautbekämpfung. Die hohe Effizienz und geringere Kosten führten zu exzessiver Nutzung
einer Vielzahl von kommerziell erhältlichen Substanzen. Der daraus resultierende Selekti
onsdruck förderte die Entwicklung von Herbizidresistenzen bei Unkräutern, ein globales Pro
blem von wachsender Bedeutung. Zur selben Zeit kam die Entwicklung neuer Herbizide mit
neuen Wirkmechanismen aufgrund von Marktsättigung für die letzten 30 Jahre zum vollstän
digen Erliegen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, ist eine Wiederaufnahme der
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Herbizidforschung unerlässlich, da bis zum heutigen Tag keine Methode mit vergleichbar
hoher Effektivität bekannt ist. In dieser Arbeit wurde Icafolin, ein neues Herbizid, das von
Bayer CropScience entwickelt und in naher Zukunft veröffentlicht wird, hinsichtlich seines
Effekts und seines Wirkmechanismus auf zellulärer Ebene untersucht. Durch den Einsatz
von Tabak-BY-2-Zellkulturen, die entweder GFP-markiertes α-Tubulin 3 oder β-Tubulin 6
überexprimieren, konnte eine schnelle und effektive Depolymerisation von Mikrotubuli bei
einer geringeren Konzentration als bei herkömmlichen Mikrotubuli-Giften gezeigt werden.
Nach der Entfernung von Icafolin können die Zellen in Abhängigkeit von der Expositions
dauer und der ursprünglichen Wirkstoffkonzentration Mikrotubuli regenerieren. Der Regene
rationszeitraum bis zur vollständigen Wiederherstellung der Mikrotubuli ist jedoch bei
Icafolinexposition deutlich länger im Vergleich zu bereits bekannten irreversibel bindenden
Mikrotubuli-Hemmstoffen. Icafolin führt außerdem zum Verlust der Zellaxialität, zu radialem
Anschwellen und kann die Mortalität der Zellen signifikant erhöhen. Durch Affinitätschroma
tographie konnten acht mikrotubuliassoziierte Proteine neben α- und β-tubulin identifiziert
werden, und es wurde eine fast irreversible Bindung von Icafolin an seinen Interaktionspart
ner nachgewiesen. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Icafolin einen ande
ren Wirkmechanismus besitzt als herkömmliche Anti-Mikrotubuli Wirkstoffe. Daher könnte die
Aufklärung dessen möglicherweise zusätzlich zu einem tieferem Verständnis von Mikrotubuli
und deren regulatorischem System führen. Auf Grundlage der in dieser Arbeit erhaltenen
Ergebnisse werden mögliche Modelle für den Wirkmechanismus von Icafolin diskutiert.

The discovery of herbicides revolutionised modern weed control management. The high effi
cacy and low costs led to excessive use of a diverse repertoire of commercially available
substances. The resulting selective pressure promoted the development of herbicide
resistance in weeds, a global problem of increasing significance in recent years. Simultane
ously, the development of herbicides harboring novel modes of action came to a full stop due
to market saturation for the last 30 years. To be able to cope with herbicide-resistance in
weeds, a revival of herbicide development is necessary, as no equally effective alternative
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for weed control is currently available. In this study, Icafolin, a novel herbicide developed by
Bayer Crop Science and soon to be released, was investigated for its effects and cellular
mode of action. Using tobacco BY-2 cell cultures expressing either GFP-tagged α-tubulin3 or
β-tubulin6, Icafolin demonstrated rapid and effective microtubule depolymerisation at a
threshold lower than that of common anti-microtubule agents. Removal of Icafolin allows the
cells to recover from its effects, depending on exposure time and concentration, but regener
ation takes longer compared to other reportedly reversible tubulin-binding agents. Exposure
to Icafolin leads to a loss of cell polarity, radial swelling, and a significant increase in cell mor
tality, indicating herbicidal properties. To further understand the mode of action of Icafolin,
affinity chromatography using agarose-coupled Icafolin was performed and revealed eight
microtubule-associated proteins, alongside α- and β-tubulin, and demonstrated almost irre
versible binding properties to its interaction partner. The results obtained during this study
suggest for a mode of action located rather in microtubule regulation than tubulin dimer se
questration, which is the common mode of action of other anti-microtubule agents. Therefore
the unraveling of the mode of action of Icafolin might also lead to a deeper understanding of
microtubules and their regulatory system. Based on findings obtained during this study, po
tential models for the mode of action of Icafolin will be discussed.