Der Sprung in den Weizen

Ein defektes Gen ermöglichte dem Pilz Pyricularia oryzae den seltenen Wirtswechsel

02.08.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Gesunde Weizenähren sind im unreifen Zustand grün. Eine Infektion mit dem Pilz Pyricularia oryzae lässt die Weizenähren erbleichen und deformiert die Körner. (Bildquelle: © Hans/pixabay/CC0)
Gesunde Weizenähren sind im unreifen Zustand grün. Eine Infektion mit dem Pilz Pyricularia oryzae lässt die Weizenähren erbleichen und deformiert die Körner. (Bildquelle: © Hans/pixabay/CC0)
Die Sporen des Pilzes unterm Mikroskop. (Bildquelle: © Paul Bachi)
Die Sporen des Pilzes unterm Mikroskop. (Bildquelle: © Paul Bachi)

Normalerweise sind Krankheitserreger nur für eine kleine Anzahl an Wirten gefährlich. Selten kommt es dazu, dass ein Pathogen auf einen neuen Wirt überspringt. In den 1980er Jahren hat der Weizenbrandpilz genau das geschafft. Erst jetzt verstehen Wissenschaftler die molekularen Hintergründe.

Im südlichen Teil Brasiliens, in den Provinzen Rio Grande do Sul und Paraná, wiegen sich im Sommer auf endlosen Feldern goldgelbe Weizenähren im Wind. Die beiden Provinzen gelten als die Kornkammer Brasiliens.

Doch 1985 kroch eine neue Pilzkrankheit über die Felder. Weizenbrand, ausgelöst vom Pilz Pyricularia oryzae. Er lässt die noch unreifen, grünen Weizenähren erbleichen und deformiert die Körner. Von Brasilien aus breitete sich der Pilz auf viele andere Länder in Süd- und Nordamerika aus. Erst kürzlich fraß er sich über Weizenfelder in Bangladesch und verursachte hohe Ernteausfälle.

Wie gelang der Wirtswechsel?

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So sieht es aus, wenn der Pilz beim Weizen zuschlägt.

So sieht es aus, wenn der Pilz beim Weizen zuschlägt.

Bildquelle: © Paul Bachi

Dabei sind die ursprünglichen Wirtspflanzen dieses Pilzes ganz andere Gräser. Je nach Subtyp befällt P. oryzae Reis, Hafer oder Weidelgras. Wie konnte der Pilz auf Weizen überspringen? Erst jetzt haben Wissenschaftler die molekularen Mechanismen dahinter entschlüsselt.

Um sie zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie das pflanzliche Immunsystem funktioniert. Es besteht aus zwei Verteidigungslinien.

Die zwei Verteidigungslinien des Immunsystems

Da sind zum einen die sogenannten Muster-Erkennungsrezeptoren, auf Englisch pattern recognition receptors (PRR) auf der Oberfläche von Pflanzenzellen. Sie erkennen mikrobielle Strukturen (Epitope), die oft über viele verschiedene Arten von Pathogenen hinweg konserviert sind, und setzen dann Stoffwechselwege zur Abwehr der Feinde in Gang.

Zum anderen sind da die NLRs (Nukleotid-bindende und Leucin-reiche Proteine) im Inneren der Pflanzenzelle. Sie erkennen sehr viel spezifischer sogenannte Effektor-Proteine der Pathogene. Diese Effektor-Proteine wirken meist dadurch, dass sie die durch PRRs ausgelösten Verteidigungsaktionen der Pflanze untergraben.

Neue Sorte, neue Probleme

Pflanzen und Pathogene sind in einem ständigen evolutionären Wettrüsten, hauptsächlich durch Veränderungen an den NLRs und Effektor-Proteinen. Ändert sich ein Effektor-Protein, kann das vielleicht schon den Weg in eine neue Wirtspflanze eröffnen. Genau das ist beim Weizen und dem Weizenbrand geschehen.

In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren bestellten die Bauern in Brasilien ihre Felder vor allem mit der Weizensorte IAC-5. Doch etwa um das Jahr 1980 herum boten Züchter ihnen die neue Weizensorte Anahuac an. Halb-zwergwüchsig, mit hohen Ertragspotential und besonders gut angepasst an nichtsaure Böden. Die Bauern waren begeistert und säten Anahuac aus. Was sie nicht wussten: Dieser Weizensorte fehlte ein ganz entscheidendes Gen namens Rwt3.

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Die ursprünglichen Wirtspflanzen des Pilzes sind andere Gräser, wie zum Beispiel Reis.

Die ursprünglichen Wirtspflanzen des Pilzes sind andere Gräser, wie zum Beispiel Reis.

Bildquelle: © Yulin Jia/ Wikimedia.org/public domain

Ein fehlendes Gen dient als Sprungbrett

Der Brandpilz attackiert seine Wirtspflanzen dank zweier Gene namens PWT3 und PWT4 (und der entsprechenden Genprodukte). Weizenpflanzen konnten sich bisher dank der korrespondierenden Verteidigungsgene Rwt3 und Rwt4 dagegen wehren. Mit dem Verlust von Rwt3 wurde Anahuac jedoch anfälliger für den Brandpilz.

„Der gleichzeitige Anbau von Weizenkultivaren mit und ohne Rwt3 in direkter Nachbarschaft zueinander hat die Anpassung der lokalen P. oryzae Population an Weizen vermutlich noch beschleunigt“, schreiben Takaki Maekawa und Paul Schulze-Leffert in einem Kommentar zur Studie. Dadurch entstand ein erhöhter Selektionsdruck für die Entwicklung von P. oryzae-Stämmen ohne PWT3.

Erst Weizen, dann Hafer?

Denn Weizenpflanzen mit funktionalem Rwt3-Gen erkennen die Pilzinfektion und wehren sich. Verliert der Pilz PWT3, dann kann er nach mit weniger Mühe auch diese Pflanzen infizieren. Genau das ist geschehen. Genetische Analysen deuten darauf hin, dass es sogar mehrmals unabhängig voneinander passiert ist. Auf gleichem Weg könnte der Brandpilz eines Tages auch den Wirtssprung in den Hafer (Avena sativa) oder andere Gräser schaffen.

Um das zu verhindern, sei es wichtig, weltweit vermehrt Weizenlinien anzubauen, die sowohl Rwt3 als auch Rwt4 in ihren Genomen beherbergen. Die Tests der Wissenschaftler zeigten: Von 499 Landrassen aus der ganzen Welt enthalten 77 Prozent Rwt3 und 87 Prozent Rwt4. Nur 6,6 Prozent der Pflanzen waren frei von beiden Genen. In Deutschland war das bei keiner der getesteten Sorten der Fall.

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