Klein, aber nicht mehr wehrlos!

Weizen mit kürzeren Halmen kann Stickstoff besser verwerten und ist deshalb ertragreicher. Die bisher eingekreuzten Gene für kürzere Halme machten den Weizen jedoch auch anfälliger für Pilzinfektionen. Ein neu entdecktes Gen kann dieses Problem beheben.

Während der „Grünen Revolution“ in den 1960er Jahren sorgten zwei Gene für beträchtliche Ertragssteigerungen. Sind sie in Weizen vorhanden, reduzieren sie die Halmhöhe beträchtlich – von ursprünglich 120 cm auf etwa 80 cm. Als „Kriegsbeute“ nach dem zweiten Weltkrieg gelangten Pflanzen mit diesen Genen von Japan in die USA und wurden später auch in zahlreiche europäische Getreidepflanzen eingekreuzt. „Kürzere Pflanzen vertragen mehr Stickstoff und liefern dadurch indirekt höhere Erträge“, erklärt Prof. Thomas Miedaner von der Universität Hohenheim den Zusammenhang. Neben einem kürzeren Halm bewirken die Gene auch eine höhere Ährenfertilität. „Wir beobachten häufig die Ausbildung von drei statt zwei Körnern in einem Ährchen“, so Miedaner.

Die beiden halmverkürzenden Gene im Winterweizen heißen Rht-B1 und Rht-D1. Auch in modernen Sorten spielen sie eine große Rolle. Bis heute sind 23 weitere Gene im Weizen beschrieben worden, die zu ähnlichen Effekten führen. Davon werden aber nur eine Handvoll in der Züchtung genutzt.

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Kürzere Pflanzen anfälliger für eine Pilzkrankheit

Einige Jahre nach der Grünen Revolution, in den 2000er Jahren, wiesen mehrere Arbeitsgruppen allerdings auf einen negativen Effekt der halmverkürzenden Gene hin: Sie erhöhten offenbar die Anfälligkeit der Pflanzen gegenüber Ährenfusariosen. Diese Pilzerkrankung gehört zu den schädlichsten Infektionen beim Weizen weltweit. Die beiden Erreger Fusarium graminearum und Fusarium culmorum verringern die Kornmenge bei der Ernte und machen die Körner durch die Ausscheidung von Mykotoxinen als Nahrungsmittel und Tierfutter unbrauchbar. „Wir konnten zeigen, dass Pflanzen, die eines der beiden Gene tragen, um bis zu 40 Prozent anfälliger für einen Befall mit Fusarium werden“, so Prof. Miedaner.

Näher am Boden, schneller infiziert?

Die Kleinwüchsigkeit der Pflanzen wird durch ein verfrühtes Stop-Codon in den Genen Rht-B1 und Rht-D1 ausgelöst. Das produzierte Protein - ein Transkriptionsfaktor - ist dadurch weniger empfindlich gegenüber dem Pflanzenhormon Gibberellin-Säure, die das Längenwachstum der Pflanze vorantreibt. In der Folge wächst die Pflanze weniger und die Halme sind verkürzt

„Im Fachjargon nennen wir diese Gene auch Halbzwerggene – das bedeutet: Sie reduzieren die Halmlänge auf ein Mittelmaß und die Ähren kommt dadurch näher an den Boden heran“, so Miedaner. Und hier liegt das Problem, denn Fusarien befallen die Weizenpflanze vom Boden aus. „Bei kürzeren Halmen gelangt der Pilz schneller zur Ähre“, so Miedaner und weiter: „Gleichzeitig verändern diese Gene auch die Architektur der Pflanzen. Denn die haben dann zwar einen kürzeren Halm, aber immer noch gleich viele Blätter. So wird der Bestand dichter und die Luftfeuchte erhöht sich.“ Auch das sind ideale Voraussetzungen für eine Infektion mit Pilzen.

Doch diese Erklärung ist offensichtlich nicht vollkommen ausreichend. Denn selbst wenn die Wissenschaftler bei Versuchen die Weizenpflanzen ausschließlich von oben mit den Pilzsporen infizierten, blieb der Effekt erhalten: Pflanzen mit kurzen Halmen wurden stärker infiziert als Pflanzen mit langen Halmen. Wissenschaftler sprechen hierbei von einem pleiotropen Effekt, der nicht entkoppelt werden kann.

Kurze Halme ohne Rht-B1 und Rht-D1

Miedaner und sein Team haben nun nach kurzhalmigen Weizenpflanzen gesucht, die ohne die beiden Gene Rht-B1 und Rht-D1 auskommen. Dazu kreuzten sie zwei langstrohige Weizensorten, die diese beiden Gene nicht aufwiesen. Unter den Nachkommen suchten die Forscher Weizenpflanzen mit kürzeren Halmen heraus und prüften, ob sich auch diese Pflanzen besonders stark mit Fusarium infizieren ließen.

Zufall: Rht24 zeitgleich in China entdeckt

„Während unsere Versuche liefen, beschrieb eine chinesische Arbeitsgruppe erstmals das Gen Rht24, das ebenfalls eine verkürzende Wirkung beim Weizen hat“, so Miedaner. Diese neue Information nahmen die Wissenschaftler zum Anlass, auch ihre Weizenpopulation auf das neu identifizierte Gen hin zu untersuchen. Und in der Tat: Viele der Weizenpflanzen mit verkürzten Halmen enthielten Rht24.

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Weitere Versuche zeigten: Dieses halmverkürzende Gen beeinflusst die Anfälligkeit der Pflanze gegenüber Fusarium nicht -  im Gegensatz zu den beiden bisher genutzten, halmverkürzenden Genen. „Man kann also mit Rht24 den Weizen verkürzen, ohne eine höhere Fusarium-Anfälligkeit befürchten zu müssen“, erklärt Prof. Miedaner das Resultat seiner Studie. Einziger Wermutstropfen: Die Halme werden durch Rht24 durchschnittlich nur um neun Zentimeter verkürzt, statt um 12 Zentimeter wie bei den älteren Halbzwerggenen.

Überraschender Effekt eines einzigen Gens

Mit Hilfe spezieller Marker, die von der Universität Hohenheim entwickelt wurden, können Züchter nun nach diesem Gen in ihren Populationen zielgerichtet suchen und die entsprechenden Pflanzen für weitere Kreuzungen verwenden. „Das ist ein faszinierendes Phänomen für die Züchter, dass ein einziges Gen einen derart großen Effekt auf die Pflanze ausübt“, so Miedaner. Andere wichtige Eigenschaften entstünden meist erst durch das Zusammenspiel von mehreren Genen und seien daher auch züchterisch nicht so einfach zu beeinflussen.

Die Chance, dass Züchter bereits Pflanzen mit Rht24 in ihrem Zuchtmaterial besitzen, ist auch bei uns relativ groß: Immerhin etwa 40 Prozent aller untersuchten Weizensorten in Deutschland besitzen Rht24. In China sind es 61 Prozent.