Kartoffeln für morgen

„Potatoes for tomorrow“, kurz POMORROW, heißt das Gemeinschaftsprojekt von fünf Forschungsinstituten und drei Pflanzenzuchtunternehmen. Ziel ist es, die Kartoffel fit für den Klimawandel zu machen und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber damit einhergehenden Krankheiten und Umweltfaktoren zu erhöhen.

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Kartoffelzüchtung ist aufgrund der Fülle an relevanten Merkmalen für den Anbau, die Verarbeitung und den Einzelhandel kein leichtes Unterfangen und jede neue Kartoffelsorte ist ein Kompromiss. In der Züchtung standen in der Vergangenheit Gene, die Toleranzen gegenüber Hitze oder Trockenheit vermittelten, nicht im Fokus. Diese genetische Vielfalt liegt jedoch weiterhin in Genbanken verborgen – und genau dort setzt POMORROW an.

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

POMORROW hat sich daher zum Ziel gesetzt, Genbank-Material zu identifizieren, das für die zukünftige Züchtung besonders wertvolle Eigenschaften vermittelt. „Es ist großartig, dass die Genbanken tausende Kartoffel-Akzessionen für die Menschheit bewahren und so die genetische Vielfalt erhalten“, sagt Dr. Vanessa Prigge von der SaKa Pflanzenzucht, die das Projekt zusammen mit Prof. Benjamin Stich vom Julius Kühn-Institut koordiniert. „In POMORROW wollen wir diese Vielfalt charakterisieren, um sie für die praktische Züchtung einfacher nutzbar zu machen.“

Wissenschaftliche Partner:

• Julius Kühn-Institut: Prof. Dr. Benjamin Stich (Wissenschaftlicher Koordinator), Dr. Simon Schiwek, Dr. Thilo Hammann, Dr. Roman Gäbelein
• Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK): Prof. Dr. Nils Stein, Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK): Dr. Klaus J. Dehmer
• Universität Münster: Prof. Dr. Dirk Prüfer
• Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie: Dr. Karin Köhl, Prof. Dr. Caroline Gutjahr
• Hochschule Geisenheim: Prof. Dr. Annette Reineke

Industriepartner:

• SaKa Pflanzenzucht GmbH & Co. KG: Dr. Vanessa Prigge (Gesamtkoordinatorin)
• NORIKA GmbH: Dr. Bernd Truberg
• EUROPLANT Innovation GmbH & Co. KG: Dr. Stefanie Hartje
• Gemeinschaft zur Förderung von Pflanzeninnovation e. V. (GFPi): Dr. Sarah Lange

Das experimentelle Vorgehen

Die POMORROW-Kernsammlung entsteht

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Zunächst werden alle 6.357 Kartoffel-Akzessionen aus der Genbank des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Groß Lüsewitz genotypisiert. Etwa die Hälfte liegt dort als Gewebekultur vor, die andere Hälfte als Samen – aus letzteren müssen zunächst Pflanzen herangezogen werden.

„Der Erhalt als Gewebekultur ist für die Genbank zwar deutlich aufwändiger, aber für uns Projektpartner ein Vorteil, weil das genetische Material schneller verfügbar ist“, erklärt Vanessa Prigge.

Da eine vollständige Sequenzierung des umfangreichen tetraploiden Kartoffelgenoms für alle Akzessionen zu aufwändig wäre, werden in diesem Schritt zufällige aber über alle Akzessionen hinweg dieselben Genombereiche sequenziert. Der Vergleich dieser Sequenzen erlaubt anschließend, die rund 600 Akzessionen auszuwählen, die die genetische Vielfalt der Kartoffel am besten abbilden. Sie bilden die Grundlage für die weiteren Untersuchungen und werden als POMORROW-Kernsammlung (PCC – POMORROW Core Collection) bezeichnet.

Bis Anfang 2026 sollen alle genetischen Daten vorliegen, aus denen die PCC zusammengestellt werden kann. Zusätzlich werden am IPK bis zu zehn Akzessionen vollständig sequenziert und dem Kartoffel-Pan-Genom-Konsortium zur Verfügung gestellt.

Neue Resistenzfaktoren gegen Viren und andere Krankheiten finden

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Um die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten, soll künftig mit weniger Fungiziden und Insektiziden gearbeitet werden. „Damit das funktioniert, brauchen wir Pflanzen, die von Natur aus resistenter gegen Krankheiten sind, so dass der Einsatz von Pestiziden maßgeblich reduziert werden kann“, fasst Vanessa Prigge zusammen.

Am Julius Kühn-Institut (JKI) testen Forschende die Kartoffel-Akzessionen auf ihre Resistenz gegenüber verschiedenen Krankheitserregern – darunter das Kartoffelvirus Y, das Blattrollvirus und die Krautfäule, die durch den Oomycet Phytophthora infestans verursacht wird. Bekannte Erreger, die schon lange den Kartoffelanbau erschweren – die Kraut- und Knollenfäule war beispielsweise der Auslöser der irischen Hungersnot in den 1840er Jahren, und noch heute entstehen immer wieder neue Erregerstämme, denen das aktuelle Kartoffelsortiment nicht gewachsen ist. Parallel führen die drei Züchtungsunternehmen SaKa Pflanzenzucht, NORIKA und EUROPLANT Innovation ergänzende Feldversuche zur Phytophthora-Resistenz durch und prüfen die PCC auf Ertrags- und Qualitätsparameter.

Die Hoffnung ist, dass sich in den alten Landrassen oder Wildkartoffeln der Genbank bislang unbekannte Resistenzgene finden lassen. „Beim Blattrollvirus sind zum Beispiel bisher gar keine Resistenzgene bekannt – wir können also bislang keine Sorten mit dieser Eigenschaft züchten“, erklärt Prigge.

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Die Suche nach trockentoleranten Knollen

Da die Sommer infolge des Klimawandels zunehmend heißer und trockener werden, wächst der Bedarf an trockentoleranten Kartoffelsorten. Um herauszufinden, welche Gene diese Eigenschaft vermitteln, werden am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) in Potsdam-Golm unter der Leitung von Dr. Karin Köhl rund 240 Akzessionen im Folientunnelanbau gezielt Trockenstress ausgesetzt. Laserscanner überwachen die Pflanzen automatisch und erfassen, welche Akzessionen besonders gut oder schlecht mit der Trockenheit zurechtkommen.

Ebenfalls am MPI-MP laufen Versuche mit Mykorrhizapilzen, die die Nährstoffversorgung und Stresstoleranz von Pflanzen verbessern können. Die Experimente unter der Leitung von Prof. Dr. Caroline Gutjahr sollen zeigen, welche Kartoffel-Akzessionen besonders stark von dieser Symbiose profitieren.

Eine neue Bedrohung –Erreger, die von der Schilf-Glasflügelzikade übertragen werden

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In jüngster Zeit haben Landwirt:innen mit zwei Erregern zu kämpfen – Stolbur und Arsenophonus, die durch die Schilf-Glasflügelzikade übertragen werden. „Das ist ein großes Thema, denn es gibt bislang nur sehr eingeschränkte chemische oder biologische Bekämpfungsmöglichkeiten und auch keine resistenten Sorten“, erklärt Vanessa Prigge.

Befallene Pflanzen lassen sich leicht erkennen: Ihre Blätter welken, und die Knollen werden gummiartig und ungenießbar. „Für die betroffenen Landwirt:innen bedeutet das oft einen Totalausfall“, so Prigge. „Unsere Hoffnung ist, dass wir in der Genbank fündig werden und Resistenzloci in Akzessionen identifizieren können – erst dann wird eine Züchtung resistenter Sorten möglich.“

Um herauszufinden, welche Akzessionen sich besonders gut gegen die beiden Pathogene zur Wehr setzen, führen die Züchtungsunternehmen Feldversuche in Regionen durch, die stark von der Schilf-Glasflügelzikade betroffen sind. Ergänzend laufen an der Hochschule Geisenheim Gewächshausversuche, bei denen Pathogen-beladene Insekten gezielt auf die Pflanzen gesetzt werden. „Diese Versuche sind sehr aufwändig, aber notwendig, weil sich die durch die Zikaden übertragenen Erreger derzeit noch nicht in Reinkultur vermehren und künstlich inokulieren lassen“, erläutert Prigge.

CRISPR und Pfropfung

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Auch Methoden der Genom-Editierung lassen sich grundsätzlich bei der Kartoffel anwenden – allerdings mit einer Besonderheit. Nach einer gezielten Veränderung des Erbguts mit der Genschere CRISPR/Cas muss die bearbeitete Pflanze klassischerweise rückgekreuzt werden. Diese Rückkreuzung stellt sicher, dass die Gene, die für die CRISPR-Proteine kodieren, wieder aus dem Erbgut entfernt werden, so dass die Pflanze als transgen-frei gilt.

Bei Selbstbefruchtern wie Weizen oder Gerste mit ihrem homozygoten Genom ist dieser Schritt unproblematisch. Bei der fremdbefruchtenden Kartoffel mit ihrem heterozygoten Genom hingegen würde eine Kreuzung das gesamte Genom neu durchmischen – es wäre also nicht mehr dieselbe Sorte!

Prof. Dr. Dirk Prüfer von der Universität Münster verfolgt deshalb einen alternativen Ansatz: Er kombiniert die CRISPR/Cas-Technologie mit einer Pfropfungsmethode, um transgen-freie Pflanzen zu erzeugen. Die CRISPR-Proteine wandern über das Phloem von der Auflage in die Unterlage, verändern dort gezielt das Genom und werden danach wieder abgebaut. Die entstehenden Knollen besitzen somit die gewünschte Veränderung, sind technisch jedoch nicht transgen. Zudem erfolgt die Erzeugung geneditierter Pflanzen über Protoplasten, die mit rekombinanten Cas9/Guide-RNA-Komplexen transfiziert werden. Die Insertion eines Transgens ist auch bei dieser Methode nicht erforderlich. Sollte die EU-Gesetzgebung künftig solche Pflanzen zum Anbau zulassen, wären die Züchtungsunternehmen mit diesen Methoden bestens vorbereitet.

Predictive Breeding

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Am Julius Kühn-Institut entwickelt das Team um Prof. Dr. Benjamin Stich Modelle für das sogenannte Predictive Breeding. Ziel ist es, allein anhand der genetischen Informationen (Genotypen) vorhersagen zu können, welche Kombinationen von Elternpflanzen sich besonders gut für die Züchtung eignen – und welche weniger erfolgversprechend sind.

Gerade bei Merkmalen wie Ertrag, Qualität oder Stresstoleranz, die auf dem Zusammenspiel vieler Gene beruhen, könnte diese Methode die Züchtung deutlich effizienter machen. Insbesondere könnten damit auch genetische Ressourcen in die Kartoffelzüchtung einfließen, die nicht einen monogen vererbten Hauptlocus für ein bestimmtes Merkmal tragen, sondern deren Wert im Beitrag vieler Loci mit kleinen Effekten liegt, wie es für die komplexer vererbten Merkmale wie z.B. Umweltstresstoleranz erwartet wird.

Ausblick

Die genetischen Ressourcen der IPK-Genbank sind von unschätzbarem Wert für die Kartoffelzüchtung und -forschung, gerade im Hinblick auf den Klimawandel und dem damit einhergehenden Auftreten neuer Schaderreger. „Es ist sehr zu begrüßen, dass das BMFTR nun auch vierjährige Projekte fördert“, sagt Vanessa Prigge. „Bei einer vegetativ vermehrten Kulturpflanze wie der Kartoffel ist es kaum möglich, in nur drei Jahren belastbare Ergebnisse zu erzielen.“

Nach Abschluss des Projekts sollen Forschungsinstitute und Züchtungsunternehmen den genetischen Schatz der Genbank einfacher und gezielter nutzen können. Im besten Fall werden Akzessionen identifiziert, die Resistenzen gegen neue und bekannte Krankheitserreger sowie Anpassungen an klimatische Herausforderungen vermitteln – und damit die Grundlage für zukunftsfähige Kartoffelsorten schaffen. Außerdem steht mit der POMORROW Core Collection dann eine gemeinschaftliche Ressource zur Aufdeckung neuer Resilienzfaktoren zur Verfügung, die Züchtung und Forschung unterstützen, schneller auf zukünftig auftretende Herausforderungen im Kartoffelanbau zu reagieren.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de

• Die Schilf-Glasflügelzikade breitet sich rasant aus – Rekordausfälle bei den Ernten
• Schon gewusst? Kartoffeln droht eine Krautfäule-Epidemie – Chemischer Pflanzenschutz kommt an seine Grenzen – Genschere als Hoffnungsträger
• Genetischer Schalter für Stressanpassung – Gen-Editing macht Kartoffeln klimaresilienter

Titelbild: Trockenstress- und Mykorrhizaversuch mit Genbank-Kartoffelakzessionen im Foliengewächshaus des Max Planck Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie: Das Projekt quantifiziert die Trockentoleranz und Mykorrizareaktion von Kartoffelverwandten. (Bildquelle: © MPIMP)