Projektporträt „dsRNAguard“

Kulturpflanzen schalten die Gene ihrer Feinde ab

07.05.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wanxin Chen, Mitarbeiterin im Projekt „dsRNAguard“, im Sicherheitslabor. (Quelle: © P. Schweizer)
Wanxin Chen, Mitarbeiterin im Projekt „dsRNAguard“, im Sicherheitslabor. (Quelle: © P. Schweizer)

Host Induced Gene Silencing (HIGS) heißt ein neuer Ansatz, mit dem sich Pflanzen zukünftig selbst gegen Pilzpathogene wehren sollen. Das HIGS Prinzip des PLANT 2030 Projektes dsRNAguard hat viele Vorteile, mit denen Pflanzenschutzmittel und genetische Resistenzen nicht mithalten können.

Moderne Kulturpflanzen liefern hohe Erträge, sind aber auch leichte Beute für Krankheitserreger. Die züchterische Selektion hat dazu geführt, dass sie sich - im Gegensatz zu ihren wilden Vorfahren - gegen die meisten Schädlinge und Pflanzenkrankheiten kaum mehr behaupten können. 

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Krankheitssymptome des Fusarium Schadpilzes, die sich in der Ähre einer anfälligen Pflanze ausbreiten (links) oder sich auf die mit einem schwarzen Punkt markierten Inokulationsstellen der Pilzsporen in einer resistenten Ähre (rechts) beschränken.

Krankheitssymptome des Fusarium Schadpilzes, die sich in der Ähre einer anfälligen Pflanze ausbreiten (links) oder sich auf die mit einem schwarzen Punkt markierten Inokulationsstellen der Pilzsporen in einer resistenten Ähre (rechts) beschränken.

Bildquelle: © P. Schweizer

Zu den wichtigsten Pathogenen der Landwirtschaft gehören Schadpilze. Bei geeigneter Witterung fallen Mehltau-, Fusarium-, Rost- und Schimmelpilze über die Pflanzen her und zapfen mit ihren Pilzfäden deren Nährstoffversorgung an. Im Getreide-, Obst- und Weinanbau sorgen sie für erhebliche Ernteeinbußen. Eine Infektion mit Pilzarten des echten Mehltaus, kann bei vielen Getreidearten zu Ernteverlusten von bis 30% führen. Einige Pilzarten produzieren außerdem hochtoxische Nebenprodukte. Mehr als die Hälfte aller untersuchten Weizenproben in der EU enthalten Untersuchungen zufolge Deoxynivalenol, ein Gift der Fusarienpilze, das bei hohen Konzentrationen zu Erbrechen, Blutungen und Nierenversagen führen kann.

Evolutionäres Wettrüsten: Der Pilz gewinnt immer

Fungizide schützen Pflanzen zunächst wirkungsvoll, haben aber ökologische Nachteile. Oft werden sie schon vor dem Keimen der Kulturen aufgebracht und können bei heftigen Regenfällen in Gewässer gelangen oder in das Grundwasser sickern. Einige der Wirkstoffe sind darüber hinaus auch für andere Organismen giftig und schädigen beispielsweise Amphibien.

Die Erfahrung der letzten Jahrzehnte haben außerdem gezeigt, dass die Pilze schnell gegen Pflanzenschutzmittel resistent werden. In den 70er Jahren begannen Züchter daher, natürliche Resistenzgene gegen Mehltau und Rostpathogene in die Kulturpflanzen einzukreuzen. Aber auch die genetische Resistenz war kein Garant für einen dauerhaften Schutz. Bereits nach zwei Jahren hatten die Pilze ihren Angriffsmechanismus angepasst und die Resistenzen waren völlig wirkungslos. „Über Jahrmillionen haben viele Pilzerreger einen hochredundanten Satz an infektiösen Faktoren entwickelt. Werden Pflanzen gegen einen resistent, so schmeißen die Pilze ihn durch Mutagenese einfach raus und aktivieren einen neuen. Sie sind also bestens gerüstet, um bei den züchterischen Maßnahmen gegen zu halten“, erklärt Patrick Schweizer, der am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) die Forschungsgruppe Pathogen-Stress Genomik leitet. Vor zwei Jahren rief er das Projekt dsRNAguard durch die Unterstützung des Forschungsprogramms PLANT 2030 ins Leben.

Sein Team hat einen faszinierenden, neuen Mechanismus aufgedeckt, mit dem Kulturpflanzen die angreifende Pilzpathogene zukünftig selbst außer Gefecht setzen können. Das Besondere dabei: Obwohl die Pflanzen biotechnologisch verändert werden, produzieren sie keine transgenen Proteine und ihr Erbgut bleibt weitestgehend unverändert.

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Mini Gewächshäuser für Versuche mit transgenen Pflanzen unter feldähnlichen Bedingungen auf dem Areal des IPK. Drei der Häuser wurden mit Versuchspflanzen des dsRNAguard Projektes bepflanzt.

Mini Gewächshäuser für Versuche mit transgenen Pflanzen unter feldähnlichen Bedingungen auf dem Areal des IPK. Drei der Häuser wurden mit Versuchspflanzen des dsRNAguard Projektes bepflanzt.

Bildquelle: © P. Schweizer

RNA Interferenz: die kleinen gegen die großen RNAs

Die neue Strategie, die die Pflanzen schützen soll, beruht auf dem Prinzip der RNA Interferenz (RNAi). Wissenschaftler entdeckten in den 90er Jahren, dass Pflanzen und viele Tiere mit Hilfe kleiner Ribonukleinsäure (RNA)-Moleküle die Produktion bestimmter Proteine regulieren oder ganz verhindern können. Die kleinen RNAs (small interfering RNAs, siRNAs) binden an Boten-RNAs, die Bauanleitung der Proteine, und leiten deren enzymatische Zerstörung ein. Die Sequenz von siRNAs und Boten-RNA müssen dabei weitestgehend identisch sein, damit sich die zerstörerischen siRNAs anlagern können.

Der Mechanismus, so die damals postulierte Hypothese, dient der Verteidigung gegen RNA-Viren. Diese versuchen durch das Einschleusen der Viren-RNA die Proteinproduktion des Wirtes zum Zweck ihrer Vermehrung unter ihre Kontrolle zu bringen. 

RNAi-Moleküle legen die Gene des Pilzes still

Dass Pflanzen mit Hilfe von RNAi auch Pilze abwehren können, ist eine neue Entdeckung, auf die die Wissenschaftler um Patrick Schweizer eher zufällig stießen. Eigentlich wollte die Doktorandin Daniela Nowara mittels RNAi pflanzliche Gene herunter regulieren, um essentielle Faktoren der Pilzabwehr auszumachen. Beim Einbringen der RNAi-Konstrukte in mit Mehltau (Blumeria graminis) infizierte Gerstenpflanzen erlebten die Wissenschaftler eine Überraschung: Einige der wirksamen RNA-Moleküle waren nicht gegen pflanzliche, sondern gegen Pilzgene gerichtet wie zum Beispiel das Pilzenzym BgGTF. BgGTF ist normalerweise für den Ausbau der Pilz-Zellwand zuständig. Auf unbekanntem Weg waren die siRNA-Moleküle in den Mehltaupilz gelangt und hatten dort die Zerstörung von Pilz-RNAs eingeleitet. Die Folge: Der Mehltau bildete weniger Saugorgane (Haustorien) aus, mit denen sich der Pilz normalerweise in den Epidermiszellen der Pflanze verankert und wuchs deutlich schlechter auf den Gerstenpflanzen.

Das neu entdeckte Phänomen tauften die Forscher Host Induced Gene Silencing, kurz HIGS. Es war zugleich die Geburtsstunde für die Idee des Projektes dsRNAguard.

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Das PLANT 2030 Projekt dsRNAguard erforscht einen neuen Ansatz - Host Induced Gene Silencing (HIGS) - mit dem sich Pflanzen zukünftig selbst gegen Pilzpathogene wehren sollen. Mehr zum Projekt

Das PLANT 2030 Projekt dsRNAguard erforscht einen neuen Ansatz - Host Induced Gene Silencing (HIGS) - mit dem sich Pflanzen zukünftig selbst gegen Pilzpathogene wehren sollen.
Mehr zum Projekt

HIGS bietet neue Möglichkeiten für den Pflanzenschutz

Das HIGS Prinzip scheint unbegrenzte Möglichkeiten zu eröffnen, um verschieden Krankheitserreger in ganz unterschiedlichen Kulturpflanzen zu bekämpfen. „Den Proof of Concept haben wir bereits erbracht. Mit HIGS lassen sich Gerste, Weizen und Mais vor Mehltau oder Fusarienbefall schützen“, sagt Patrick Schweizer. Eine weitere Stärke von HIGS ist seine Flexibilität. Prinzipiell können gegen jedes Pilzgen RNAi-Moleküle kreiert werden, je nachdem welcher Pilzfaktor abgeschaltet werden soll. Da das Proteinrepertoire der Pflanze dabei unverändert bleibt, hat der Pilz auch keine Chance, sich evolutionär an diese Abwehr anzupassen. 

Gegenüber herkömmlich züchterischen Resistenzen hat HIGS noch einen weiteren wichtigen Vorteil: Lässt man die Pflanze unterschiedliche, gegen den Pilz gerichtete RNAi Moleküle herstellen, kann man mehrere Faktoren des Pilzes gleichzeitig angreifen. Einen wirksamen züchterischen Schutz zu entwickeln, ist dagegen sehr viel kosten- und zeitintensiver. Weil viele Pilzpathogene, wie etwa Mehltau-Arten der Immunantwort der Pflanze geschickt ausweichen, muss man mehrere Resistenzgene kombinieren. „Das entwickeln einer Breitbandresistenz ist züchterisch sehr aufwendig und meistens mit Nachteilen verbunden. Da diese Gene oft aus Wildpflanzen eingekreuzt werden, erhält man in der Regel unerwünschte, mit dem Resistenzgen gekoppelte Gene, die z.B. ertragsmindernd wirken können“, erklärt Patrick Schweizer.

Genetisch resistent, aber der Geschmack könnte auf der Strecke bleiben

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Projektleiter Dr. Patrick Schweizer und Wanxin Chen, Mitarbeiterin im Projekt, kontrollieren das randomisierte Versuchsdesign des Fusarium Infektionsversuches in den Mini Gewächshäusern.

Projektleiter Dr. Patrick Schweizer und Wanxin Chen, Mitarbeiterin im Projekt, kontrollieren das randomisierte Versuchsdesign des Fusarium Infektionsversuches in den Mini Gewächshäusern.

Bildquelle: © P. Schweizer

Gerade bei Wein- und Obstsorten, bei denen nicht nur Ertrag, sondern vor allem Aussehen, Geschmack und Aromen im Vordergrund stehen und deren Eigenschaften sich genetisch bedingt nur durch  klonale Vermehrung wie Stecklinge erhalten lassen, bringt das Vermischen mit unerwünschtem Erbgut noch ganz andere Herausforderungen mit sich. „Durch Einkreuzen von Resistenzgenen erhält man eventuell eine gegen Mehltau resistente Weinsorte. Aber es ist dann  ganz bestimmt kein Riesling mehr“, sagt Patrick Schweizer. Das Einbringen eines HIGS Konstruktes würde hingegen Schutz bedeuten, ohne die anderen Eigenschaften zu beeinflussen.

Das HIGS Prinzip: Was passiert in Pflanze und Pilz?

Für das verbleibende Jahr hat sich das Projekt dsRNAguard vor allem zwei Ziele gesteckt. „Bisher haben die Pflanzen die RNAi-Moleküle hauptsächlich transient, also nur vorrübergehend, produziert. Jetzt möchten wir zeigen, dass die Produktion der pilzabwehrenden RNAi-Moleküle auch stabil im Erbgut von Kulturpflanzen verankert werden kann, um das Prinzip in die Zucht zu integrieren“, sagt Schweizer. Außerdem wollen die Wissenschaftler genau untersuchen, wie das HIGS-Prinzip funktioniert. Momentan ist noch unklar, wie die RNAi-Moleküle von der Pflanze in den Pilz gelangen, um dort ihrer zerstörerische Wirkung zu entfalten. Mit dem Industriepartner Bayer Crop Science soll auch überprüft werden, ob die Anreicherung von Abwehr-RNAs in befallenen Zellen möglicherweise ein weit verbreiteter, natürlicher Mechanismus der Pflanzen ist.

Thumbs up für HIGS? Der Konsument entscheidet

Ob sich die Möglichkeiten der Methode tatsächlich auch züchterisch umsetzen lassen, ist nach der Meinung von Patrick Schweizer aber kein technisches Problem, sondern hängt vor allem von der Akzeptanz der Konsumenten ab. „Wir sehen in dem Projekt dsRNAguard ein positives Beispiel dafür, dass grüne Gentechnik nicht nur herbizidtolerante Pflanzen hervorbringt. Pflanzen und Lebensmittel, die mit weniger Pestiziden behandelt werden können, sind ein klarer Vorteil für die Umwelt und den Konsumenten. Wir hoffen mit dem Projekt dsRNAguard zu einer fruchtbaren Diskussion darüber beizutragen, welche Ansätze der grünen Gentechnik wirklich sinnvoll sind und eine echte Chance bieten.“

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