Klimaanpassung und Infektionsschutz

Haare haben vielfältige Funktionen: Sie schützen vor Hitze, Kälte und Nässe und bilden zugleich eine physische Barriere. Das gilt nicht nur für das menschliche Haupthaar, sondern auch für pflanzliche Blatthaare. Eliteweinreben allerdings haben ein Problem, das vor allem ältere Männerköpfe kennen: Ihre Behaarung ist zu dünn, um diese Schutzfunktionen zu erfüllen. Das Forschungsprojekt VilHair will das ändern.

#####1#####

„Es wird immer schwieriger, die jetzigen Lagen der Weinproduktion mit derselben Qualität zu halten“, berichtet Projektleiter Friedrich Kragler vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam mit Blick auf die Folgen des Klimawandels. „Die Reben sind zunehmend gestresst durch hohe Temperaturen und unregelmäßige Niederschläge – mal Starkregen, dann wieder lange Trockenperioden“, führt der Forscher aus. Eine mögliche Antwort kennt die Pflanzenforschung vor allem aus trockenresistenten Sorten: dichte Blatthaare, die einen filzigen Belag bilden.

Blatthaare als Schutz- und Isolierschicht

„Dichte Blatthaare wirken wie eine Isolierschicht“, veranschaulicht Kragler. „Sie reflektieren Licht und damit die UV-Strahlung. Sie bilden ein Luftpolster, das Hitze wie Kälte abpuffert. Sie verhindern, dass das Blatt schnell austrocknet und mehr Wasser benötigt. Zuviel Wasser hingegen perlt leichter ab.“ Nicht zuletzt verringern dichte Blatthaare sogar das Risiko einer Infektion mit Falschem Mehltau.

Es gibt bislang jedoch keine qualitativ hochwertigen Rebsorten mit dichter Blattbehaarung, die für deutsche Breitengrade geeignet sind. „Elitesorten haben diese Eigenschaft verloren oder nie gehabt“, sagt der Projektleiter. Die europäische Kulturrebe Vitis vinifera ist nahezu unbehaart.

Die amerikanische Wildart Vitis labrusca hingegen ist stark behaart. Gelänge es, deren Genpool für die Züchtung zu erschließen, könnte das zu einem klimaangepassten Weinbau führen, der weniger Kupfer oder andere synthetische Pflanzenschutzmittel benötigt. Doch die klassische Züchtung von Weinreben über fünf oder sechs Generationen würde 50 bis 60 Jahre dauern, erklärt Kragler. Das Projektteam will deshalb moderne Methoden der Geneditierung mit einer Pfropfung kombinieren – und so innerhalb weniger Jahre eine transgenfreie Kulturrebe mit dichter Blattbehaarung erzeugen.

Die Projektpartner

Wissenschaftliche Partner:

• Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie: Dr. habil. Friedrich Kragler

• Julius Kühn-Institut: Dr. Oliver Trapp

Transgenfrei dank Pfropfung

#####2#####

Transgene Weinreben – das zeichnet sich ab – werden auch künftig in Europa nicht willkommen sein. Wahrscheinlich würde es jedoch genügen, vorhandene Gene der Haarzellenbildung so zu regulieren, dass die Pflanze deutlich mehr Blatthaare ausbildet. Dafür sollen gezielt Transkriptionsfaktoren editiert werden, die bereits in V. vinifera vorhanden sind.

Zwar können solche genetischen Veränderungen mit CRISPR/Cas rasch und präzise vorgenommen werden, doch das Cas-Enzym selbst ist bakteriellen Ursprungs und müsste anschließend wieder ausgekreuzt werden – ein Prozess, der bis zu 20 Jahre dauern könnte. „Das ist daher nur unser Plan B“, sagt Kragler.

Plan A ist eine Geneditierung mittels Pfropfung: Weinreben werden grundsätzlich gepfropft, um als Wurzelstock einen amerikanischen Wildtyp zu verwenden, der gegen die Wurzellaus resistent ist. „Wir wollen die Geneditierungsfaktoren im Wurzelstock produzieren“, erläutert der Forscher. „Die Cas9-mRNA/gRNA wird dann von dort in den oberen Teil der Pflanze transportiert und editiert dort spezifisch die Gene, die wir verändern wollen.“ Der Wurzelstock wäre somit in der Züchtung zwar transgen, der Spross jedoch nicht. „Im Weinbau später wäre kein Teil mehr transgen“, betont Kragler den Vorteil dieser Strategie. Denn mit dem Spross würde später weitergezüchtet.

Dass diese Methode grundsätzlich in Pflanzen funktioniert, hat Kragler mit Kolleginnen und Kollegen bereits vor zwei Jahren in Nature Biotechnology gezeigt: „Wir haben für Brassica und Arabidopsis demonstriert, dass das funktioniert.“ In den damaligen Experimenten ging es allerdings um andere Zielgene, die wesentlich für die Stickstoffverwertung sind. In VilHair steht nun der Machbarkeitsnachweis für die Weinrebe im Mittelpunkt.

Zielgene für Transkriptionsfaktoren weiter eingrenzen

Mögliche Zielgene für die Blatthaare der Weinreben sind aus einem Vorprojekt bereits bekannt und liegen im sogenannten LH1-Locus. Dabei handelt es sich um Kandidaten für Transkriptionsfaktoren. „Alternativ wäre auch denkbar, die Promotorregion zu verändern und so die Expression positiv oder negativ zu regulieren“, sagt Kragler.

Im neuen Projekt soll die Zahl der Kandidaten zunächst mittels QTL-Kartierung und Expressionsstudien weiter eingegrenzt werden. „Wir haben dazu zunächst zwei Vitis-Sorten gekreuzt – eine mit vielen, eine mit wenigen Haaren. Dann haben wir mit klassischer Genetik bestimmt, welche Gene eine Rolle spielen könnten“, beschreibt der Forscher. Praktischerweise ist das Ergebnis dieser Kreuzungen schon an den ersten Blättern der Jungpflanzen sichtbar. Auf dieser Basis folgte die genetische Kartierung.

Welche Rebsorte im Erfolgsfall die erste mit dichten Blatthaaren sein wird? „Wahrscheinlich der Muskat“, sagt Kragler. „Aber das ist eigentlich egal: Wenn es in einer Sorte funktioniert, dann in allen.“

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• „Guter Wein ist auch Berechnung“ - Interview mit Lena Frenzke
• Genomforschung für ausgezeichnete Weine - Das Projekt „SelWineQ“
• SelWineQ3 - Mit Gen-Markern schneller zu optimierten Rebsorten
• Schon gewusst? Der Klimawandel schadet dem Weingeschmack - Viel Alkohol, wenig Frische

Titelfoto: Weinberge stehen zunehmend unter Druck durch Hitze, Trockenstress und neue Krankheitsrisiken. Forschungsprojekte wie VilHair wollen Weinreben durch gezielte Züchtung und moderne Geneditierung besser an den Klimawandel anpassen und zugleich den Pflanzenschutz reduzieren. (Bildquelle: © Reustli, Wikimadia Commons, CC BY-SA 4.0)