06.01.2012

Forschung Projekte

Lässt sich Weizen durch ein arteigenes Resistenzgen dauerhaft vor Mehltau schützen?

(2007 – 2011) Institut für Pflanzenbiologie, Universität Zürich (UZH)

Thema

Pilzkrankheiten sind bei Weizen sehr weit verbreitet, so auch der Echte Weizenmehltau (Blumeria graminis f. sp. triciti). Weizen kann sich vor dieser Krankheit mittels Genen, die Resistenz vermitteln, schützen. Eines dieser so genannten R-Gene ist das Pm3-Gen. Von Pm3 sind 16 verschiedene Varianten (Allele) bekannt, die in sehr alten, aber auch in neuen Weizenlinien vorkommen. Jedes dieser Allele vermittelt eine Resistenz gegen bestimmte Stämme (Rassen) des Mehltauerregers, nicht aber gegen alle Stämme (rassenspezifische Resistenz). Wenn ein R-Gen in grossflächig angebauten Weizensorten vorkommt, ist es meist nur für wenige Jahre wirksam, weil Erregerstämme, welche diese Sorten befallen können, schnell überhandnehmen. Um die Dauerhaftigkeit der R-Gene zu erhöhen, kann man z.B. Multilinien anbauen. Das sind Saatgutmischungen aus Linien, die denselben genetischen Hintergrund haben, aber unterschiedliche R-Gene oder R-Allele tragen.

Im Rahmen dieses Projektes sollte nun überprüft werden, ob eine gentechnische Übertragung der Pm3-Allele in Weizen zu Mehltauresistenz führt, die auch unter Feldbedingungen wirksam ist. Eine gentechnische Übertragung von R-Genen hat gegenüber dem klassischen Einkreuzen den Vorteil, dass keine unerwünschten Gene mitübertragen werden.

Frühere Versuche mit anderen R-Genen und anderen Pflanzenarten deuten daraufhin, dass erhöhte Mengen des R-Genprodukts die Resistenz verbessern, in gewissen Fällen der Pflanze aber gleichzeitig auch schaden können. Daher wurde getestet, ob die verstärkte Produktion des R-Genprodukts durch Überexpression der Pm3-Allele die Resistenz erhöht und ob sich Nebeneffekte zeigen. In einem zweiten Schritt wurden auch Multilinien aus transgenen Pm3-Weizenlinien auf ihre Mehltauresistenz hin geprüft.

Versuchsbeschreibung

Die untersuchten gentechnisch veränderten Linien enthielten die Allele Pm3a, Pm3b, Pm3c, Pm3d, Pm3f und Pm3g, die einzeln mit Hilfe der Partikelkanone in Weizen eingeführt wurden. Die Weizenlinie ‚Bobwhite’ wurde als Ausgangssorte gewählt, da sie sehr anfällig für Mehltau ist und sich besser als die meisten anderen Weizenlinien gentechnisch verändern lässt. Die Transgene standen unter Kontrolle eines starken Promotors (Ubiquitin), der ihre Überexpression bewirken soll.

Die transgenen Linien wurden molekularbiologisch charakterisiert und im Labor mittels Infektionstests auf ihre Mehltauresistenz hin geprüft. Insgesamt zwölf Linien wurden für weitere Untersuchungen auf dem Feld ausgewählt.

Die Versuche erfolgten im Freiland auf dem Gelände der Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon (ART) in der Schweiz.

Nachweisverfahren für die gentechnisch veränderten Pflanzen

Zur Identifikation der transgenen Pflanzen wurden die Pm3-Allele mit Hilfe der molekularbiologischen Methoden Southern Blot und PCR nachgewiesen. Außerdem wurde die Mehltauresistenz mittels eines Infektionstests auf Blattsegmenten nachgewiesen.

Ergebnisse

Vier transgene Weizenlinien (Events), die das Allel Pm3b an unterschiedlichen Orten im Genom tragen, zeigten im Gewächshaus und im Feld eine bessere Resistenz gegen Mehltau als die nicht-transgenen Kontroll-Linien. Sie waren auch resistenter als die Landrasse Chul, die Pm3b natürlicherweise, also ohne verstärkenden Promotor, trägt.

In der zweiten bzw. dritten Felsaison wurden acht weitere Weizenlinien getestet, denen jeweils eines der Allele Pm3a, Pm3c, Pm3d, Pm3f oder Pm3g gentechnisch übertragen worden war. Auch sie waren alle resistenter als die Kontrollen. Eine Pm3a-Linie war wiederum resistenter als die Landrasse Asosan, welche Pm3a natürlicherweise trägt. Die Überexpression der Transgene wurde in allen Linien mittels RT-qPCR bestätigt.

Im Gewächshaus traten bei diesen Linien ausser der Mehltauresistenz keine phänotypischen Veränderungen auf. Im Freiland zeigten drei der vier Pm3b-Linien, beide getesteten Pm3f-Linien und eine Pm3g-Linie dagegen eine leicht geringere Wuchshöhe, Veränderungen der Ähren oder gelbe Blätter. Möglicherweise wurden diese Veränderungen durch hohe Mengen an Pm3-Genprodukt verursacht (pleiotrope Effekte). Dies zeigt, dass Resultate aus Feldversuchen notwendig sind, um die Expression der Transgene optimieren zu können. Verbesserungen werden z.B. durch das Verwenden von Promotoren, die nur in von Mehlatu befallenem Gewebe, der Epidermis, aktiv sind, erwartet.

Multilinien bestehend aus jeweils zwei Pm3-Weizenlinien mit unterschiedlichem Pm3-Allel waren in den Feldversuchen noch resistenter als die beiden Pm3-Weizenlinien, aus denen sie zusammengesetzt waren. Ob die verwendeten Resistenz-Allele nun länger wirksam bleiben, weil sich die Mehltaustämme schwerlich an mehrere Resistenzen gleichzeitig anpassen würden, konnte aufgrund der beschränkten Versuchsdauer nicht untersucht werden.