RecREdit

Ein Sommertag auf einem Zuckerrübenfeld bei Göttingen: Eigentlich müssten die Pflanzen kräftig grün leuchten – doch statt sattgrüner Blätter zeigt sich eine helle Gelbfärbung. Die Rüben wachsen langsamer, die Blätter werden nekrotisch und sterben frühzeitig ab, die Ernte wird mager ausfallen. Blattläuse haben unsichtbare blinde Passagiere eingeschleppt: Viren, die die Zuckerrübe schwächen. „Solche Vergilbungsviren können Ernteverluste von bis zu 40 Prozent verursachen“, erklärt Mark Varrelmann vom Institut für Zuckerrübenforschung (IfZ) in Göttingen.

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Die Bedrohung ist nicht neu. Schon vor Jahrzehnten machten diese Viren den Rübenanbauern zu schaffen. Dreißig Jahre lang konnten sie jedoch zuverlässig kontrolliert werden – durch die Saatgutbeizung mit Neonicotinoiden, einer Insektizidklasse. Seit deren Verbot 2019 zum Schutz der Bestäuber sind die Viren zurück. „Wir hatten das Problem über Jahrzehnte perfekt im Griff. Deshalb gibt es heute auch keine resistenten Sorten“, sagt Varrelmann.

Dabei ist die Zuckerrübe (Beta vulgaris) von zentraler Bedeutung: Sie liefert rund 20 Prozent des weltweit erzeugten Zuckers und dient zudem als Tierfutter und Rohstoff für Biogas. Das Projekt RecREdit, das Varrelmann leitet, will nun mithilfe modernster Genomtechnologien Zuckerrüben entwickeln, die gegen Vergilbungsviren unempfindlich sind.

Die Vergilbungskrankheit ist ein ganzes Viruskonglomerat: das „beet chlorosis virus“ (BChV), das „beet mild yellowing virus“ (BMYV), das „beet mosaic virus“ (BtMV) und das „beet yellows virus“(BYV). Eine resistente Sorte müsste alle vier Erreger gleichzeitig abwehren können. Von größter Relevanz für diesen Kontrollansatz sind BMYV, BChV und BtMV, die im Projekt RecREdit bearbeitet werden.

Die Projektpartner

Wissenschaftliche Partner

• Institut für Zuckerrübenforschung (IfZ): Prof. Dr. Mark Varrelmann
• Universität Göttingen, Department Mikrobiologie, Service Unit LC/MS: Dr. O. Valerius
• Universität Göttingen, Fakultät für Agrarwissenschaften, Abteilung Nutzpflanzengenetik:  Prof. S. Scholten
• Universität Göttingen, Institute für Mikrobiologie und Genetik, Abtl. Molekulare Strukturbiologie: Prof. R. Ficner

Industriepartner

• SESVANDERHAVE Deutschland GmbH (SV)

Aufbauen auf dem Vorgängerprojekt

Im Vorgängerprojekt PoleroRes hatte das Team gemeinsam mit Züchterunternehmen untersucht, wie sich mit Genom-Editierung Virusresistenzen erzeugen lassen. Die bekannteste Methode, CRISPR/Cas, erlaubt punktgenaue Veränderungen im Erbgut – Gene lassen sich gezielt ausschalten oder modifizieren.

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Besonders an den Vergilbungsviren ist ihr Genomaufbau: Anders als pflanzliche mRNA besitzen sie keine „Cap-Struktur“, die normalerweise den Start der Proteinsynthese markiert, sondern ein virales Protein (VPg). Dieses bindet an bestimmte pflanzliche Eiweiße – die Translationsinitiationsfaktoren (eIFs) – und kapert so die Proteinproduktion der Zelle für die Virusvermehrung.

Im Vorgängerprojekt gelang es, in Zuckerrüben ein solches eIF-Gen (Bv-eIF(iso)4E) mithilfe von CRISPR/Cas auszuschalten. Das Ergebnis: Pflanzen mit Resistenz gegen eines der Viren (BChV). „Das war nicht nur die erste genomeditierte Zuckerrübe, sondern auch die erste mit dieser Form von rezessiver Virusresistenz“, berichtet Varrelmann.

Allerdings haben solche Knockout-Ansätze Grenzen: Die eIFs sind für die Pflanze selbst lebenswichtig. Sie binden normalerweise die Cap-Struktur der pflanzeneigenen mRNA und starten damit die Proteinproduktion. Werden beide Isoformen ausgeschaltet, stirbt die Pflanze; selbst der Ausfall einer einzelnen Variante kann Wachstum und Ertrag beeinträchtigen.

Gezielte Mutationen statt Knockouts

Im neuen Projekt RecREdit setzen die Forschenden daher nicht mehr auf Knockouts, sondern auf gezielte Mutationen. Sie wollen genau jene Aminosäuren in den eIFs identifizieren, die für die Bindung des viralen Proteins verantwortlich sind – und sie so verändern, dass das Virus nicht mehr andocken kann, während die Pflanze ihre normale Funktion beibehält.

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Hier kommen modernere Werkzeuge wie „Base Editing“ oder „Prime Editing“ zum Einsatz. Anders als beim klassischen CRISPR-Knockout lassen sich damit einzelne DNA-Bausteine austauschen oder umschreiben, ohne das Gen zu zerstören. Die Verfahren müssen allerdings noch präziser und effizienter werden. Ein Vorteil: Das Partnerunternehmen SESVanderHave kann Genom-Editierungen in Protoplasten durchführen, die anschließend zu vollständigen Pflanzen regeneriert werden. „Das ist nicht nur besonders präzise, sondern erlaubt es uns, direkt mit der T₀-Generation zu arbeiten“, erläutert Varrelmann.

Parallel analysieren die Göttinger, wie die Virusproteine aufgebaut sind. Da VPg-Moleküle aus mehreren Bruchstücken nach einer proteolytischen Spaltung entstehen, ist ihre genaue Zusammensetzung bislang unklar. Mit hochauflösender Massenspektrometrie (LC/MS) und Strukturmodellierungen wollen die Forschenden herausfinden, welche Virus- und Pflanzenproteine an welchen Stellen interagieren.

„Unser Ziel ist eine Version der Translationsfaktoren, die ihre normale Funktion behält, für alle relevanten Viren aber unzugänglich ist“, fasst Varrelmann zusammen.

Durchbruch für Züchtung und Praxis

Für die Züchtung wäre das ein großer Fortschritt: Bislang existieren keine Zuckerrübensorten mit Resistenz gegen Vergilbungsviren, und natürliche genetische Variation liefert hier bisher kaum Ansatzpunkte. Mit klassischen Methoden ließen sich solche rezessiven Merkmale nur schwer kombinieren – Genom-Editierung bietet einen direkten Weg zu gezielt resistenten Linien.

Auch ökologisch wäre das ein Gewinn: Weniger Insektizide bedeuten geringere Risiken für Umwelt und Bestäuber. Denn die Blattläuse selbst schaden den Pflanzen kaum – gefährlich sind allein die Viren, die sie übertragen. „Ein paar gezielt veränderte Aminosäuren sind sicher ein geringeres Risiko als massive Ertragsausfälle durch Virusinfektionen“, sagt Varrelmann mit Blick auf die Diskussion um die Regulierung Genom-editierter Pflanzen.

Die Forschenden denken schon weiter: Auch Resistenzgene können im Laufe der Zeit überwunden werden. Doch im Unterschied zur klassischen Züchtung erlaubt die Genom-Editierung, schnell nachzusteuern – und so flexibel auf neue Virusvarianten zu reagieren.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Drohnen und Laser für die Zuckerrübenzüchtung - BeetAdapt macht Rüben fit für den Klimawandel
• Epigenetik - Das Projekt EpicBeet sucht nach epigenetischen Markern für die Zuckerrübenzüchtung
• Die Schilf-Glasflügelzikade breitet sich rasant aus - Rekordausfälle bei den Ernten

Titelbild: Luftbildaufnahme eines Zuckerrüben-Sortenversuchs nach künstlicher Inokulation mit Vergilbungsviren. (Bildquelle: © C. Lachmann / IfZ)