Ein Gen gegen viele Krankheiten

Ob Mais gegen verschiedene Pilzinfektionen resistent ist, darüber entscheidet häufig ein einziges Gen. Dies entdeckten Forscher, die 300 Maissorten auf ihre Resistenz gegen drei wirtschaftlich bedeutende Maiskrankheiten verglichen.

Bei den meisten Pflanzenkrankheiten verspricht eine auf mehreren Genen basierende Resistenz den besten und langfristigsten Schutz vor Pathogenen. Denn Resistenzen, die auf nur einem Gen basieren, werden schnell unwirksam, wenn sich die Krankheitserreger erfolgreich anpassen. Sind Pflanzen jedoch gleichzeitig verschiedenen Erregern ausgesetzt, kann eine auf einem Gen basierende multiple Resistenz einen evolutionären Vorteil bedeuten. 

Bislang lagen die genetischen Ursachen von multipler Resistenz bei Pflanzen weitestgehend im Dunkeln. Einem Forscherteam ist nun gelungen, ein Gen auszumachen, dass für die Resistenz von Mais gegen die wirtschaftlich bedeutenden Blattfleckenkrankheiten „Southern leaf blight“, „Northern leaf blight“ und „Gray leaf spot“ verantwortlich zu sein scheint. Damit gelang den Wissenschaftlern ein Einblick in die Evolution und die Funktionsweise komplexer, pleiotroper (ein Gen ist verantwortlich für verschiedene Eigenschaften) Abwehrmechanismen bei Pflanzen. Ihre Erkenntnisse werden Pflanzenzüchtern helfen, zukünftig besser angepasste und resistentere Pflanzen zu züchten, die den Anforderungen eines veränderten Schädlingsdrucks, z.B. durch den Klimawandel, besser gewachsen sind. So könnten Ernteausfälle verringert oder sogar vermieden werden.

Bedeutende Maiskrankheiten 

Die drei untersuchten Pflanzenkrankheiten werden von nekrotrophen Schlauchpilzen (Dothideomycetes) ausgelöst, die sich von abgestorbenen Zellen ihres Wirtes ernähren. Ursache für die „Southern leaf blight“ ist der Pilz Cochliobolus heterostrophus, der in den warmen und feuchten südlichen Regionen der USA, in Südostasien, Südeuropa und in Teilen Afrikas verbreitet ist. Er verursacht kleine Flecken auf den Blättern, die sich auf die ganze Pflanze ausbreiten können. Schwere Infektionen haben größere Ernteausfälle zur Folge. Die „Northern leaf blight“ wird durch den Pilz Setosphaeria turcica verursacht. Der Krankheit ist im mittleren Korngürtel der USA verbreitet und erkennbar durch zigarrenförmige braune Stellen auf den Blättern. „Gray leaf spot“ wird von den Pilzen Cercospora zeae-maydis und Cercospora zeina ausgelöst. Die Krankheit tritt vermehrt im mittleren Westen und im Südosten der USA auf. 

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Bei einer Infektion beginnen die Sporen der Pilze auf der Blattoberfläche zu keimen. Sie dringen mit ihren Hyphen direkt durch die Epidermis oder über die Spaltöffnungen (Stoma) in die Pflanzenzelle ein. Im Mesophyll, dem Pflanzengewebe zwischen oberer und unterer Oberhaut, breiten sich die drei Pilze unterschiedlich schnell aus. Sie produzieren Phytotoxine, um die Infektion weiterer Zellareale und damit den Krankheitsverlauf zu beschleunigen. Gemeinsames Ziel nekrotropher Pilze ist der Zelltod der Pflanzenzelle zu ihrer Nahrungssicherung. Ob die Pflanze auf alle drei Krankheitserreger mit den gleichen Abwehrreaktionen reagiert, ist bislang nicht klar. So könnten spezifische Eigenheiten der Pathogene jeweils unterschiedliche Abwehrmechanismen erforderlich machen, die verschiedene Signalwege in Gang setzen, und auf verschiedenen Resistenzgenen beruhen. Vielleicht erkennt die Pflanze jedoch auch ein gemeinsames Muster der drei Pilzinfektionen und reagiert auf diese mit den gleichen Mechanismen, die auf nur einem multiplen Resistenzgen basieren. 

Umfassende Analyse zu Mais

Die Wissenschaftler verglichen 300 Maissorten aus der ganzen Welt auf ihre Resistenz gegen die drei Krankheiten. Die verwendeten Maislinien stammten aus öffentlichen Züchtungsprogrammen und unterschieden sich stark voneinander. Sie repräsentieren damit die große biologische Vielfalt an Maisvarietäten. Der Vergleich der Sorten erlaubte den Forschern, die Regionen im Genom auszumachen, die über die Sortenvielfalt hinweg für die Resistenz gegen die drei Krankheiten bedeutend zu sein schienen. Der verwendete Forschungsansatz kann auch auf andere Spezies und Merkmale angewendet werden. 

Ein Gen für alle Fälle

Es stellte sich heraus, dass Pflanzen, die widerstandsfähig gegen ein Pathogen waren, häufig auch gegen eine weitere Krankheiten resistent waren. War es nun aber wahrscheinlich, dass eine Pflanze mit einem Resistenzgen gegen Krankheit A auch ein Resistenzgen gegen Krankheit B aufwies? Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass für die Abwehr beider Krankheitserreger wahrscheinlich dasselbe Gen verantwortlich ist. Der hohe positive statistische Zusammenhang deute auf eine natürliche Variation funktionaler Allelen an bestimmten Genen hin. 

Mit multivariaten Analysen identifizierten die Wissenschaftler ein Gen der Genfamilie Glutathione S-transferase (GTS) als Ursache für die multiple Resistenz der Maispflanzen. Dieses Gen konnte mit einer mittleren Resistenz gegen alle drei Pilze assoziiert werden.

Resequenzierungsanalysen entschlüsselten das Geheimnis dieses Gens: Eine multiple Resistenz gegen die drei Pilzinfektionen wurde in Pflanzen gefunden, die eine spezielle Variante des GTS-Gens aufwiesen. An der Stelle im Genom, die die biochemische Aktivität des Enzyms bestimmt, war bei den resistenten Pflanzen eine basische Aminosäure Histadin gegen eine saure Aminosäure Asparaginsäure ausgetauscht. Diese Aminosäure-Substitution könnte Ergebnis der natürlichen Variation in Mais sein, so die Forscher. Bisherige Forschungsergebnisse legen nahe, dass das variierte Gen der GTS-Familie die multiple Resistenz der Pflanzen beeinflusst. 

Weitere Resistenzgene für den Mais

Welche Resistenzstrategien gibt es für Maissorten, die nicht über das multiple Resistenzgen verfügen? Und wie schützt man die Pflanzen vor weiteren Pilzinfektionen? Neben der weiteren Erforschung maiseigener Abwehrgene, ermöglicht die Biotechnologie die Ausstattung der Pflanzen mit Resistenzgenen anderer Organismen. 

Australische Forscher haben zum Beispiel eine Maissorte gezüchtet, die ein anti-fungal wirkendes Defensin-Molekül aus der Blüte der Orientalischen Tabakpflanze (Nicotiana sylvestris) selbst produzieren kann. Derzeit laufen hierzu erste Experimente im Gewächshaus. 

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Defensine sind der Forschung als effektive, stark konservierte Immunmoleküle bereits bekannt. Es gibt sie nicht nur in Pflanzen, sondern auch in Tieren und im Menschen. Defensine stellen die erste Barriere für Krankheitserreger dar. In der Orientalischen Tabakpflanze wirkt das untersuchte NaD1-Defensin gegen Pilzinfektionen. 

Die Wissenschaftler analysierten die Struktur des Moleküls und erforschten die Abwehrreaktionen der Tabakpflanze. Dann testeten sie verschiedene Kombinationen von Defensinen und deren anti-fungale Wirkung. Diese Erkenntnisse flossen in die Entwicklung einer gentechnisch veränderten Maissorte ein, die nun Dank des eingeschleusten Defensins NaD1 resistent gegen Pilzinfektionen sein soll. In weiteren Experimenten muss nun eine ideale Kombination von Defensin-Genen erprobt werden, die eine Resistenz gegen möglichst viele Krankheitserreger verspricht. Unterstützt werden die Forscher dabei von Pioneer Hy-Bred International, einem der weltweit größten Pflanzenzüchtungsunternehmen. 

Ziel des Projektes ist es, Maissorten – und später vielleicht weitere Nutzpflanzen - zu entwickeln, die resistent gegen die bedeutendsten Pilzkrankheiten sind. Auf diese Weise könnten Ernteausfälle verringert werden. Dazu sollen lediglich Gene verwendet werden, die Pflanzen bereits heute zur Abwehr von Pathogenen einsetzen. 

Genetische Vielfalt als Schlüssel zur Resistenz

Um einen langfristigen Schutz der wichtigen Kulturpflanzen vor Krankheitserregern zu ermöglichen, muss deren genetische Vielfalt erhalten und genutzt werden.

Die durch die Gentechnik geschaffene Option, Gene von einer Pflanze auf eine andere zu übertragen, erweitert den Pool vorhandener Abwehrmechanismen um ein zusätzliches Repertoire an Resistenzgenen. Mit dem Wissen um die Gensequenz des Defensin-Gens NaD1 und den Erkenntnissen zum multiplen Resistenzgen der GTS-Familie könnte nun nach ähnlich wirkenden Genen in Mais oder wildverwandten Arten von Mais gesucht werden. Die Gentechnik dient hierbei als „Proof of Concept“, also zur Funktionsaufklärung im Labor. Anschließend suchen die Forscher nach Genen mit vergleichbarer Wirkung in wildverwandten Arten. Sind derartige Gene gefunden, können die Eigenschaften gezielt eingekreuzt werden. Die Chancen, auf diese Weise weitere Abwehrgene zu finden, stehen nicht schlecht. Diese Vorgehensweise hat sich in der Praxis bereits bewährt. Der Weg zu einer neuen Sorte mit den gewünschten Eigenschaften ist jedoch etwas länger.