Doppelt hält besser

Kombinierte Resistenzgene erhöhen die Immunabwehr im Weizen

12.02.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Reifer Weizen: Weizen ist eine der drei wichtigsten Grundnahrungspflanzen der Welt. (Bildquelle: © pixabay; CC0)
Reifer Weizen: Weizen ist eine der drei wichtigsten Grundnahrungspflanzen der Welt. (Bildquelle: © pixabay; CC0)

Weizen besitzt nur ein Resistenzgen gegen Echten Mehltau. Ist der Abwehrmechanismus einmal vom Pilz überwunden, ist die Pflanze schutzlos. Daher rüsten Forscher nun den Weizen mit gleich mehreren Resistenzgenen gegen den Schadpilz auf.

Pflanzenkrankheiten führen jedes Jahr zu hohen Ernteausfälle. Daher suchen Wissenschaftler weltweit nach geeigneten Resistenzen gegen die Verursacher. Besonders gefürchtet ist der Echte Mehltau (Blumeria graminis f. sp. tritici) beim Weizen. In einer neuen Studie hat ein Forschungsteam untersucht, ob sich durch Kombination mehrerer Resistenzgene die Immunabwehr des Weizens verbessern lässt.

Pflanzen-Pathogen-Interaktion

Will ein pathogener Pilz eine Pflanze besiedeln, muss er zunächst deren Abwehr umgehen. Neben mechanischen Barrieren wie der Cuticula auf der Blattoberfläche trifft der Pilz im Inneren der Pflanze auf hochkomplexe Abwehrmechanismen, die durch Erkennung bestimmter Strukturen des Pilzes (Effektoren) ausgelöst werden. Für diese Erkennung sind die von bestimmten Resistenzgenen (R-Gene) codierten Proteine zuständig. Um das zu umgehen und sich quasi „unbemerkt einschleichen“ zu können, entwickelt der Pilz im Gegenzug sogenannte Suppressoren, die das Abwehrsystem der Pflanze täuschen – der „Alarm“ bleibt aus.

Der Weizen, eine der drei wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit, besitzt das Resistenzgen Pm3, das ihn sehr effizient vor dem Echten Mehltau schützt. Es codiert für einen Rezeptor, das sogenannte NLR-Protein (Nucleotide binding Leucine-rich Repeat). Er kann bestimmte Effektoren des angreifenden Pilzes (Avirulenzproteine, AvrPm3) erkennen  und daraufhin die Abwehr (hier: Apoptose oder programmierter Zelltod) einleiten.

Mehr R-Gene, mehr Schutz?

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Eine Weizenlinie ohne Pm3-Allele: Die Pflanze ist vom Mehltau befallen.

Bildquelle: © UZH

Weizen besitzt natürlicherweise nur ein Resistenzgen, was ihn daher im Großen und Ganzen anfällig macht, sollte das Gen wirkungslos werden. Heute kennt man aber bereits 17 Varianten des R-Gens Pm3, die jeweils andere Effektoren des Pilzes erkennen. Um die Resistenz von Weizen zu erhöhen, müssten daher zwei oder mehr dieser Genvarianten in eine Pflanze eingeschleust werden. Dann würde, so die Theorie der Wissenschaftler, die Pflanze ein breiteres Spektrum von Effektoren des angreifenden Pilzes erkennen und wäre somit besser geschützt. Außerdem müsste der Pilz gleich mehrere Suppressoren entwickeln, um die Abwehr erfolgreich zu überlisten.

Transgener Weizen im Feld

Vier der bekannten Genvarianten von Pm3 (genannt Pm3a, b, d und f) wurden bereits in vorhergehenden Studien genauer untersucht und in unterschiedlichen Kombinationen in Weizenpflanzen eingekreuzt. In der aktuellen Studie sollte nun die Resistenzstärke von vier dieser kombinierten transgenen Weizenkultivare (Pm3a x Pm3b, Pm3a x Pm3d, Pm3b x Pm3d und Pm3b x Pm3f) im Feld überprüft werden.

Die Pm3-Varianten wurden in die Sommerweizensorte „Bobwhite“ eingeführt, die selbst kein funktionierendes Resistenzgen gegen Mehltau mehr besitzt und daher sehr anfällig ist. Die Forscher legten fünf Versuchsfelder je Weizenkultivar an und testeten die Pflanzen zwei Jahre lang. Zwischen die einzelnen Flächen wurde dazu Weizen angepflanzt, der mit Mehltau infiziert wurde. Der Infektionsdruck auf dem Versuchsfeld war daher sehr hoch. Zusätzlich wurden auch Versuchsparzellen mit den Elternpflanzen angelegt, die jeweils nur eine der vier Resistenzgenvarianten (Pm3a, b, d und f) enthielten.

Kombiniert ist besser

Die Feldversuche zeigten eine deutlich verbesserte Mehltauresistenz aller vier kombinierten Kultivare im Vergleich zu ihren Elternpflanzen. Besonders resistent waren die Kultivare, in denen die Genvarianten Pm3f und Pm3b enthalten waren. Denn die Genvariante Pm3f zeigte auch in den Elternpflanzen die höchste Resistenz, gefolgt von der Genvariante Pm3b. Die Genvarianten Pm3a und Pm3d führten zu den schwächsten Resistenzen. Daher waren auch die kombinierten Kultivare mit diesen beiden Varianten am wenigsten resistent. Da sie aber zwei Genvarianten enthielten, waren sie trotzdem noch resistenter als ihre Eltern mit nur jeweils einer Genvariante.

Gemeinsam sind sie stark

Um diese Ergebnisse besser erklären zu können, wurden die einzelnen Kultivare im Labor untersucht. Hier konnten die Forscher feststellen, dass beide Genvarianten in den kombinierten transgenen Kultivaren genauso aktiv waren wie die einzelnen Genvarianten in den Elternpflanzen. Dadurch verdoppelte sich die Genaktivität in den kombinierten Pflanzen. Und: Da jede Variante eine andere Struktur des Pilzes erkannte, war die Abwehr doppelt so effektiv wie bei Pflanzen mit nur einer Genvariante. Zudem zeigte sich, dass die Erträge in den Weizenpflanzen mit zwei Resistenzgenen nicht schlechter ausfielen. Die Forscher sind daher optimistisch, dass diese Methode für die Züchtung verbesserter mehltauresistenter Weizensorten der richtige Weg ist.

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