Projekt barleyCOPA

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Zwei der größten Bedrohungen für Gerstenfelder sind die Schadpilze Fusarium graminearum und Ramularia collo-cygni. Landwirt:innen hoffen dringend auf neue Sorten, die widerstandsfähiger gegenüber Fusarium und Ramularia sind. Das würde ihnen ermöglichen, weniger auf chemische Pflanzenschutzmittel zurückzugreifen.

Fusarienbefall zeigt sich bei Gerste durch kleine, schrumpelige Körner, von Fachleuten auch als Taubährigkeit bezeichnet. Neben Ernteverlusten sind die verbleibenden Körner mit Pilzgiften belastet, die eine Gefahr für Mensch und Tier darstellen. „Man kann diese Gerste dann nicht mehr zum Bierbrauen verwenden, das ist natürlich ein Problem“, sagt Aurélien Tellier, Professor für Populationsgenetik an der Technischen Universität München. Eine Infektion mit Ramularia wird auch Sprenkelkrankheit genannt, weil die Blätter von schwarzbraunen Flecken übersät sind. Sie kann einen Ernteverluste von bis zu 20 Prozent verursachen.

Für beide Krankheiten will das Forschungsteam von barleyCOPA in Gerste neue Resistenzgene finden, die von Züchtern in ihre  Hochleistungssorten eingekreuzt werden können. „Zurzeit ist die Forschung zu diesem Thema aufgespalten “, erklärt Tellier. „Manche Teams beschäftigen sich mit der Gerstenpflanze und versuchen, sie mit klassischen Züchtungstechniken resistenter zu machen. Andere arbeiten daran, die Molekularbiologie der Pathogene besser zu verstehen. Aber zwischen diesen beiden Feldern gibt es sehr wenige Verbindungen. Das wollen wir mit barleyCOPA ändern.“

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

Ziel des Projekts ist es, Gerstenlinien zu identifizieren, die eine verbesserte Resistenz gegen Fusarium graminearum und Ramularia collo-cygni aufweisen. Züchtungsfirmen soll es ermöglicht werden, die dafür verantwortlichen Gene in ihr Elitematerial einzukreuzen.

Wissenschaftliche Partner:

• Technische Universität München: Herr Prof. Dr. Aurélien Tellier
• Technische Universität München: Herr Prof. Dr. Ralph Hückelhoven
• Hochschule Weihenstephan-Triesdorf: Frau Prof. Dr. Franziska Wespel
• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel: Herr Prof. Dr. Remco Stam        
• Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft: Herr Dr. Markus Herz
• Helmholtz Zentrum München: Herr Dr. Manuel Spannagl

Industriepartner:

• Ackermann Saatzucht GmbH

Das experimentelle Vorgehen

Feldversuche von Nord bis Süd

Gerste ist nicht gleich Gerste, und Pathogen ist nicht gleich Pathogen. Von beiden gibt es zahlreiche Genotypen oder Linien, die unterschiedlich miteinander interagieren. Hinzu kommt die Umwelt: Temperatur, Niederschlag und andere Faktoren ändern sich von Saison zu Saison und von Standort zu Standort.

Diese Unterschiede führen dazu, dass nicht alle Gerstenlinien gleich stark betroffen sind. Einige haben bessere Möglichkeiten gefunden, sich gegen die Angreifer zu wehren. Doch welche sind das – und welche Gene sind verantwortlich?

Um das besser zu verstehen, finden an fünf Standorten in Deutschland, von Oberbayern bis Schleswig-Holstein, Feldversuche statt. Dabei werden jeweils 200 Gerstenlinien angebaut. Einige stammen aus der Genbank in Gatersleben, andere von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft. „Wir wissen bereits, dass die Pflanzen sich in ihrer Resistenz gegen die beiden Schadpilze unterscheiden, aber wir wissen nicht, warum das so ist“, erklärt Tellier.

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Auch abiotische Stressfaktoren spielen eine Rolle: Trockenheit, ungewöhnlich viel Niederschlag, Hitze oder Kälte können beeinflussen, wie gut die Pflanzen sich verteidigen. „Wenn die Pflanze wenige Ressourcen hat, könnte es sein, dass sie wenig in Verteidigung investiert. Es gibt jedoch auch Beispiele, die das Gegenteil zeigen: dass Pflanzen bei Dürre resistenter sind als bei guter Wasserversorgung“, sagt der Wissenschaftler.

Während der Anbausaison wird mit Hilfe von Drohnen genau dokumentiert, wie sich die Pflanzen entwickeln und wann erste Krankheitsanzeichen sichtbar werden. Im Spätsommer werden befallene Körner und Blätter geerntet. Da sich auch die Pathogene in ihrem Erbgut unterscheiden, sammelt das barleyCOPA-Team etwa 1000 Proben pro Pathogen. Anschließend werden alle Proben im Labor analysiert. Dann beginnt ein großes mathematisches Puzzlespiel.

Genome-to-Genome Association

Im Labor von Tellier werden die Pathogene zunächst mit genetischen Markern untersucht. Varianten mit unterschiedlichen Profilen werden anschließend sequenziert. Die Genomsequenzen der Gerstenpflanzen liegen bereits vor. Mit diesen Daten füttert Tellier seine Computer-Modelle und führt Genome-Wide Association Studies (GWAS) durch.

Bei der herkömmlichen GWAS werden Assoziationen zwischen einzelnen Mutationen und Phänotypen gefunden. Wenn eine gewisse Mutation beispielsweise immer bei Pflanzen auftritt, die einen besonders guten Ertrag haben, könnte hier ein kausaler Zusammenhang bestehen.

In Telliers Modell dient das Genom des Pathogens dazu, Unterschiede im Phänotyp der Wirtspflanze zu erklären. Enthält Fusarium beispielsweise Gen X und zeigen die davon befallenen Pflanzen hohe Ertragsverluste, könnte Gen X verantwortlich sein.

Dass diese Methode funktioniert, konnte Tellier in der Vergangenheit bereits zeigen. Grundlage war eine Studie mit zwei Gruppen von Gensequenzen: denen von Menschen, die mit Hepatitis C infiziert sind (plus einer Kontrollgruppe nicht infizierter Menschen), sowie den Sequenzen der Hepatitis-C-Viren. Mit diesen Daten ermittelte sein Modell ein bislang unbekanntes Gen , das eine Resistenz gegen HCV verleihen könnte.

Überprüfung der identifizierten Kandidatengene

Sobald aussichtsreiche Kandidatengene gefunden sind, müssen sie validiert werden. Dazu werden Gerstenlinien, die entweder über diese Gene verfügen oder bei denen sie gezielt ausgeschaltet sind, unter kontrollierten Bedingungen angebaut und mit den Pathogenen inokuliert. „Erst mit diesem Experiment können wir sehen, ob das Gen tatsächlich eine Resistenz vermittelt“, so Tellier.

Ausblick

„Die positiven Ergebnisse der Vorstudie mit den Hepatitis-Viren lassen uns vermuten, dass das Prinzip auch bei Gerste funktionieren wird“, erläutert Tellier. „Und prinzipiell könnte man es auch auf andere Feldfrüchte anwenden, von denen ausreichend genomische Daten vorliegen – also zum Beispiel Mais, Weizen oder Tomaten.“

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Gen-Schatz aus der Wildnis – Wie das Erbgut von Wildgerste die Züchtung beflügeln kann
• Strukturelle Variation im Pangenom der Gerste – Vielfalt trotz Flaschenhals
• Gerstenforschung im Wandel der Zeit – Ein Blick zurück, ein Blick nach vorn

Titelbild: Unterschiedliche Gerstenlinien wachsen auf einem Versuchsfeld. Das Team von barleyCOPA will herausfinden, welche Gene die Pflanzen resistenter gegen Krankheitserreger machen (© Markus Herz, LfL Freising).