Bestimmung von Genen für die Züchtung von Krankheitsresistenz bei anfälligen Nutzpflanzen
Pflanzengesundheit ist für die Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung, aber bis zu 30 % unserer wichtigsten Nahrungsmittelpflanzen gehen durch Krankheiten verloren. Nutzpflanzengewebe kann oberirdisch chemisch behandelt werden, aber die Wurzelsysteme sind schwieriger zu schützen. Die meisten Bemühungen bestehen in der selektiven Züchtung von Pflanzen, die gegen bestimmte Krankheitserreger resistent sind, oder in der genetischen Veränderung. „Aber Krankheitserreger überwinden oder umgehen schließlich die Gene für Krankheitsresistenz“, erklärt Sebastian Schornack, Koordinator des Projekts ACHILLES-HEEL, das vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde. ACHILLES-HEEL hat grundlegende Pflanzenprozesse identifiziert, auf die Krankheitserreger angewiesen sind, um in eine Pflanze einzudringen und sich dort zu verankern. „Wir betrachteten diese Abhängigkeit als ihre Achillesferse. Wenn wir diese Prozesse ausschalten können, schwächen wir die Fähigkeit des Erregers, Krankheiten zu verursachen“, fügt Schornack von der Universität Cambridge, dem Projektträger, hinzu. Da ähnliche Krankheitserreger wahrscheinlich auch vergleichbare pflanzliche Prozesse für eine Infektion benötigen, bietet dieser Ansatz die Möglichkeit einer breit angelegten Lösung. ACHILLES-HEEL hat Gene identifiziert, die bei Pflanzen nach teilweiser oder vollständiger Funktionsmodifikation eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Wurzelinfektionen bewirken können.
Die Suche nach dem Testpathogen
Die erste Herausforderung für das Team bestand darin, dass Krankheitserreger, die auf die Übernahme pflanzlicher Prozesse angewiesen sind – im Gegensatz zur einfachen Tötung des Wirts –, sich in der Regel an bestimmte Wirte angepasst haben, sodass alle identifizierten infektionsfördernden Prozesse nur für diesen Erreger relevant sind. Beispiele hierfür sind Maisbeulenbrand, Erbsenrost und Gerstenmehltau. „Wir brauchten einen Erreger, der ein breites Spektrum nicht verwandter Pflanzen infiziert und dabei das Gewebe am Leben erhält. Dadurch wird deutlich, welche gemeinsamen pflanzlichen Mechanismen der Erreger nutzt und welche ausgeschaltet werden sollten“, erklärt Schornack. Phytophthora palmivora passte ins Bild, da es die Wurzeln und Blätter von Hülsenfrüchten, Gerste, Weizen sowie, wie das Team herausfand, von Lebermoosen besiedelt. Nach der Entwicklung einer Software zur Datenanalyse führte das Team Tests zur Infektion von Wurzeln und Blättern mit dem Erreger durch, die zur Identifizierung von zwei Genen in einer Leguminose (Medicago truncatula) führten, die in der Lage sind, die vom Erreger genutzten Pflanzenprozesse zu manipulieren. Das eine, RAD1, erwies sich als ungeeignet, da es die nützliche Pilzbesiedlung unterbricht, aber das andere, API, wird derzeit in Gerste getestet. „Gerste besitzt drei solcher Gene. Wir deaktivieren sie alle einzeln, um zu sehen, ob die Pflanzen widerstandsfähiger gegen die Phytophthora-Wurzelinfektion werden. Die ersten Ergebnisse sehen vielversprechend aus, aber wir müssen noch die Auswirkungen auf die Nutzpilze untersuchen“, sagt Schornack. Dazu verwendet das Team ein selbst entwickeltes, auf künstlicher Intelligenz basierendes Instrument namens AMFinder, das Pilzstrukturen im Inneren von Wurzeln aufspürt. Eine überraschende Entdeckung war, dass Pflanzen mit resistenten Wurzeln dennoch anfällig in ihren Trieben und umgekehrt sein können. „Die Besiedlung durch fadenförmige Mikroben ist organspezifisch, und die Inaktivierung eines Gens in der gesamten Pflanze hat möglicherweise nicht überall dieselben Auswirkungen“, merkt Schornack an.
Wachsendes Potenzial
Bei der Züchtung resistenter Pflanzen werden traditionell Gene für Immunrezeptoren, die sogenannten R-Gene, eingeführt. Dies ist jedoch zeitaufwendig und verleiht in der Regel nur eine Resistenz gegen einen bestimmten Krankheitserreger, während schnellere transgene Ansätze in vielen EU-Ländern auf rechtliche Hürden stoßen. Sollten sich die in ACHILLES-HEEL identifizierten Gene als wirksam erweisen, könnten sie von Pflanzenzüchtern von landwirtschaftlichen Hauptkulturen eingesetzt werden, um die Nahrungsmittelversorgung zu sichern, und sie könnten auch für andere Kulturpflanzen verwendet werden, die typischerweise in den Entwicklungsländern angebaut werden und von Phytophthora palmivora befallen sind, wie etwa Ölpalmen, Kakao, Kokosnuss, Gummibäume und Papaya. „Angesichts der Ähnlichkeit der Infektionsstrategie von Phytophthora mit anderen Krankheitserregern wird dies wahrscheinlich auch für andere Krankheitserreger wie Pythium, Rostpilze und Fusarium relevant sein“, so Schornack abschließend. Die veröffentlichten Ressourcen des Projekts werden Forschenden helfen, Phytophthora palmivora zu identifizieren und zu charakterisieren, und beinhalten eine Beschreibung des Lebenszyklus des Erregers sowie ein kommentiertes Transkriptom der Wurzelinfektion.
Schlüsselbegriffe
ACHILLES-HEEL, Nutzpflanzen, Pathogen, Krankheit, Infektion, Gen, Resistenz, Züchtung, Pilze, API, Pflanze, Wurzeln, Gewebe
