Molekularer Selbstschutz für die Gerste

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Mehltau ist ein häufiger Gerstenschädling. Doch manchen Gerstensorten (rechts) kann der Pilz nichts anhaben. Ihre genetische Ausstattung hat sie immun gemacht. Quelle: MPI für Züchtungsforschung

03.11.2010  - 

Pilze wie der Mehltau sind in der Landwirtschaft gefürchtete Schädlinge, die ohne Fungizideinsatz zu massiven Ernteausfällen führen können. Pflanzenzüchter wollen daher Nutzpflanzen möglichst widerstandsfähig gegen die Krankheitserreger machen. Dazu müssen Forscher aber zunächst verstehen, welche Prozesse im Detail ablaufen, wenn ein Mikroorganismus eine Pflanze infiziert. Sowohl Erreger wie auch der Wirt greifen in molekulare Abläufe des Gegenübers ein, dabei werden bestimmte Gene ein- oder ausgeschaltet, sei es um die Immunabwehr der Pflanze zu überwinden oder um die Erreger abzuwehren. In dem vom BMBF geförderten Verbundprojekt GABI-Phenome wollen Pflanzenforscher dieser Wechselwirkung auf die Spur kommen. Das Wissen soll dabei helfen, neue pilzresistente Gersten- oder Weizensorten zu entwickeln.

Schon von Natur aus gibt es bei der Gerste einige Sorten, denen der Erreger des Mehltaus Blumeria graminis nichts anhaben kann.  Vor einigen Jahren haben Pflanzenforscher herausgefunden, wie sich diese Getreidesorten vor dem Pilz schützen: Normalerweise manipuliert der Mehltau ein Protein in der Gersten-Zellmembran und legt so die Immunabwehr der Pflanze lahm. Ist der Bauplan für das Protein durch eine Mutation verändert, kann der Mehltau die Zellmembran jedoch nicht mehr angreifen. Die Pflanze ist resistent.

Wie sieht das Interaktom aus?

Pflanzenforscher suchen nach weiteren Ansatzpunkten in der molekularen Ausstattung von Pflanzen, um mit deren Hilfe widerstandsfähige Sorten zu entwickeln. So auch die acht Partner des Forschungsverbunds GABI-Phenome,  der noch bis 2011 vom BMBF mit 2,6 Millionen Euro gefördert wird. Die Forscher interessieren sich dafür, welche Gene sowohl in der Gerste wie beim Mehltau aktiv sind, sobald der Schädling versucht, die Pflanze zu infizieren. „Wir müssen mehr über die Aktivität von tausenden Genen in der Pflanze und auch in den Pilzen erfahren“, betont Patrick Schweizer vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. „Das geschieht sowohl über die Erstellung von Transkriptprofilen mittels Genchips als auch durch das gezielte Stilllegen einzelner Gene“.

Zunächst untersucht Schweizers Team in Gatersleben, welche Boten-RNA-Moleküle während des Befalls in Gerste und Pilz gebildet werden. Die Gesamtheit aller in den beiden Organismen vorhandenen Boten-RNA-Abschnitte, das so genannte Interaktom, zeigt an, welche der Gene gerade angeschaltet sind. Mit Hilfe eines Chips testen die Pflanzenforscher, wie sich das Interaktom verändert, wenn sie gezielt eines der Gene in der Gerste oder dem Pilz ausschalten. Um einzelne Gene abzuschalten, bedienen sich die Forscher der sogenannten RNA-Interferenz.  Dazu geben die Forscher ein kleines Stück RNA in die Zelle. Dessen Sequenz ist so gewählt, dass es an das Zielgen binden kann und so das Ablesen verhindert.

Kommt es nach dem gezielten Gen-Aus dazu, dass bestimmte RNA-Moleküle vermehrt oder vermindert gebildet werden, so geht die Forschung mit diesen Genen weiter. „Haben wir heiße Kandidatengene entdeckt, sollen diese in transgenen Pflanzen funktionell getestet werden“, sagt Schweizer. An ihnen lässt sich die Funktion des fehlenden Gens genau studieren. Dabei sind für die Gaterslebener Forscher vor allem zwei Gruppen interessant: Die Gene, welche der Pflanze bei einer Infektion Schutz bieten, und solche, die der Schädling nutzt, um die Abwehr der Pflanze zu umgehen. Besonders interessant sind dabei Gene, die einzig beim Erreger vorkommen, denn sie liefern den Ansatzpunkt für die Entwicklung eines neuen Fungizids.

Der Gerste beibringen, sich aktiv zu wehren

Doch statt wie bisher Pflanzen durch das Versprühen von Fungiziden zu schützen, wollen sie der Gerste lieber beibringen, sich selbst zu verteidigen. „Der Ansatz basiert auf einer ganz neuen Entdeckung am IPK Gatersleben, dass kleine RNA-Abschnitte von der Pflanze in den Pilz gelangen können, wo sie zur Abschaltung der entsprechenden Zielgene führen können“, erklärt Schweitzer. „Bis vor kurzem war nicht bekannt, dass kleine RNAs auch zwischen Organismen ausgetauscht werden können.“

Die Vision der Pflanzenforscher:  Bei einem Befall soll die Gerste das für den Pilz wichtige Infektions-Gen mittels RNA-Interferenz lahmlegen. Dafür müssen die Forscher die Gerste in die Lage versetzen, eben jene passenden RNA-Moleküle zu produzieren, die die Angriffsmechanismen des Pilzes aushebeln. In den bisherigen Versuchen haben die Forscher etwa zehn Gene gefunden, die eindeutig für den Pflanzenschutz relevant sind. Sie bieten eine Basis dafür, eine Sorte zu entwickeln, die gleich mehrere der vielversprechenden Gene in sich vereint. Das wollen die Forscher nicht nur mit Gentechnik erreichen. Auch durch markergestützte Zuchtverfahren (Smart Breeding) ließen sich solche Pflanzen herstellen, so Schweizer.

Dieser Text ist in Kooperation mit der Redaktion pflanzenforschung.de entstanden. Den kompletten Beitrag können Sie dort nachlesen.