Kampfstrategien gegen Viren

Deutschen Forschern ist es gelungen, ein wichtiges Resistenzgen zu identifizieren, das Gerste gegen virale Krankheitserreger (Gelbmosaikvirus) resistent macht. Die Suche nach dem Gen gestaltete sich schwierig, da das Erbgut der Gerste etwa 1 ½ Mal so groß ist, wie das des Menschen. Gerste ist nach Mais, Reis und Weizen die viertwichtigste Getreideart der Welt. Jährlich verursachen Gelbmosaikviren hohe Ernteverluste bei Gerste. Durch das neu entdeckte Gen können nun resistente Sorten entwickelt werden.

Gerste (Hordeum vulgare L.) wurde im Jahr 2013 in Deutschland auf ca. 1,5 Millionen Hektar Ackerfläche angebaut. Das macht sie hierzulande nach Weizen zur bedeutendsten Getreideart. Sie gilt weltweit als wirtschaftlich wichtige Kulturart. Allerdings sind Pflanzenviren eine ernste Bedrohung für die Gerste. Gelbmosaikviren können bis zu 40-50 Prozent der Ernteerträge vernichten. Die Bekämpfung der Viren ist allerdings schwierig, da sie durch den sehr widerstandsfähigen Bodenpilz Polymyxa graminis übertragen werden. Chemische Pflanzenschutzmittel sind daher nicht geeignet, um der Gefahr Herr zu werden. Somit ist die Züchtung von resistenten Sorten eine wirksame Strategie.

Neuer Resistenzmechanismus entdeckt

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Deutschen Forschern gelang es nun, einen neuen Resistenzmechanismus ausfindig zu machen: Die Forschungsgruppen um Dr. Nils Stein (Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, IPK) und Prof. Frank Ordon (Julius Kühn-Institut, JKI) identifizierten ein Gen im Erbgut der Gerste, dass die Gerste gegen die Gelbmosaikviren resistent macht. Das Genom der Gerste ist groß und komplex, dennoch gelang es den Forschern das einzelne Gen aus den 5,1 Milliarden Basenpaaren zu isolieren. Zum Vergleich: Das menschliche Genom besteht aus etwa 3 Milliarden Basenpaaren. 

Die Gerste besitzt sieben Chromosomen. Die Wissenschaftler entdeckten das Gen dabei auf dem vierten Gersten-Chromosom. Das Gen trägt den Namen „HvPDIL5-1“, was für „Homolog of PROTEIN DISULFIDE ISOMERASE LIKE 5–1“ steht. Dieses Gen enthält den Bauplan für ein Enzym, dass zur Familie der Protein Disulfid Isomerasen (PDI) gehört. Es sorgt dafür, dass bei der Faltung von Eiweißen alles korrekt abläuft. Ist das Protein durch natürlich auftretende Defekte nicht mehr funktionsfähig, entsteht eine Resistenz gegen die Viren. Die Forscher gehen davon aus, dass virale Eiweiße dann nicht mehr korrekt gefaltet, stabilisiert oder transportiert werden und sich daher nicht in der Pflanze ausbreiten können. Dadurch können sie ihre schädliche Wirkung in der Gerste nicht mehr entfalten.

Es gibt ein sehr großes Spektrum an Proteinen, die für die Faltung von Eiweißen zuständig ist, sodass die Pflanze auch ohne das Gen überleben kann. Das Gen „HvPDIL5-1“ scheint eine Wirtsfunktion zu erfüllen und die Viren zu unterstützen. Um zu zeigen, dass genau dieses Gen verantwortlich ist, testeten die Forscher, wie die Pflanzen auf die Viren reagieren, wenn das Gen ausgeschaltet wird. Dafür haben die Forscher Pflanzen sowohl im Gewächshaus als auch draußen auf dem Feld gezielt mit Viren infiziert. Die Pflanzen zeigten daraufhin keine negativen Auswirkungen der Viren. Dies bestätigte die These, dass „HvPDIL5-1“ auch tatsächlich das gesuchte Gen ist.

Die Gelbmosaikvirose  

Eine Virusinfektion (Virose) mit Gelbmosaikviren wurde in Deutschland zum ersten Mal im Jahre 1978 nachgewiesen und hat sich seither zu einer der bedeutendsten Krankheiten der Wintergerste entwickelt. Zu den typischen Symptomen zählen gelbe Verfärbungen an den Blättern. Darüber hinaus sind die befallenen Pflanzen in ihrem Wachstum gehemmt und weisen oft verkürzte Halme auf. Ausgelöst wird die Gelbmosaikvirose von verschiedenen Stämmen des Gersten-Gelbmosaikvirus (Barley yellow mosaic virus, BaYMV) und des Gersten-Mildmosaikvirus (Barley mild mosaic virus, BaMMV).

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Viren rüsten auf

Das Gen „HvPDIL5-1“ ist nicht das erste Resistenzgen, welches die Forscher fanden. Sie entdeckten bereits 2005 (Stein et al., 2005) das Resistenzgen Hv-eiF4E. Doch die Viren haben mittlerweile Resistenzen gegen dieses Gen entwickelt. Die heute angebauten Sorten sind gegen die neu aufgerüsteten Viren nicht mehr gewappnet. Daher war die Suche nach einem neuen Resistenzmechanismus notwendig. Damit können Züchter zumindest einen zeitlich befristeten Vorteil gegenüber den Viren erarbeiten. Denn es ist ein ständiges Wettrüsten zwischen Viren und Pflanzen. Die Forschung muss immer wieder neue Mechanismen finden, die Pflanzen vor den Krankheitserregern zu schützen.  

Damit der neue Resistenzmechanismus gefunden werden konnte, war jedoch eines Voraussetzung: Man benötigt die Genomsequenz. Dr. Nils Stein ist zudem Sprecher des internationalen Gersten-Sequenzierkonsortiums (International Barley Sequencing Consortium, IBSC), das 2012 eine physikalische Karte des Gerstengenoms veröffentlichte. Diese bildete die Grundlage, um gezielt nach dem Gen suchen zu können.

Gefördert wurden die aktuellen Forschungen vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Die Ergebnisse entstanden im Rahmen des Projekts GABI- BARLEX und des PLANT 2030 Projekts PLANT-KBBE II - ViReCrop.