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Nichtwirtresistenz in Pflanzen zur Sicherung der Nahrungsmittelversorgung

Wie wird aus Wirt Nichtwirt?

von Dr. Ulrich Schaffrath, Rhoda Delventhal

In ihrer natürlichen Umgebung werden Pflanzen ständig durch unterschiedliche Pathogene bedroht, die gefährliche Krankheiten hervorrufen können. Dies gilt insbesondere auch für Kulturpflanzen, die der Nahrungsmittelproduktion dienen. Bei genauerer Betrachtung fällt jedoch auf, dass längst nicht alle potenziell gefährlichen Krankheitserreger auch erfolgreich sind und Pflanzen tatsächlich krankmachen. Ein Grund dafür ist, dass Pflanzen den effektiven Mechanismus der Nichtwirtresistenz besitzen, der sie gegen eine Vielzahl nicht angepasster Erreger schützt. Im Hinblick auf die Sicherung der Nahrungsmittelversorgung und vor dem Hintergrund der Bevölkerungsexplosion wird an der Aufklärung dieses Mechanismus bei Getreidepflanzen und dessen Anwendung zur Züchtung resistenterer Kultursorten gearbeitet.

Der rapide Anstieg der Weltbevölkerung auf nahezu 9 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2040 ist ein absehbares Szenario (UNO-Prognose, http://esa.un.org/unpp/). Während die damit verbundenen gesellschaftspolitischen Probleme hinreichend öffentlich diskutiert werden, gerät die ebenfalls sehr grundlegende Frage der Nahrungsmittelversorgung in den Hintergrund. Obwohl man die Problematik der Bereitstellung von adäquaten Nahrungsmitteln für eine stetig wachsende Weltbevölkerung schon vor langer Zeit erkannt hat und diesbezüglich in den vergangenen Jahrzehnten bereits große Fortschritte erzielt wurden, sind weitere Anstrengungen und neue Lösungsansätze notwendig, um dieser Herausforderung gewachsen zu sein. Grundsätzlich sind zwei Lösungsansätze denkbar: Zum einen könnte die Nahrungsmittelproduktion gesteigert werden, indem neue Agrarflächen erschlossen oder die Erträge auf bereits existierenden Flächen weiter erhöht werden, und zum anderen könnte das Ziel sein, die bei der aktuellen Pflanzenproduktion auftretenden Ernteverluste, verursacht z.B. durch Pflanzenkrankheiten, zu verringern. Der letztgenannte Ansatz wird dadurch besonders attraktiv, dass er sich ohne Eingriff in bestehende Ökosysteme umsetzen ließe und auch der Eintrag z. B. von Düngemitteln nicht gesteigert werden müsste. Hochrechnungen zufolge mindern Verluste aufgrund von Krankheiten und konkurrierenden Unkräutern den theoretisch erzielbaren Ernteertrag der weltweiten Agrarproduktion jährlich um ca. 40 % [1]. Bedingt durch die sich verändernden Klimabedingungen und den Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration ist mit einem weiteren Anstieg dieser Ausfälle zu rechnen [2]. Eine Minderung der auftretenden Verluste würde somit einen substanziellen Beitrag zur Nahrungsmittelversorgung leisten. Die Aachener Biologie und Biotechnologie hat angesichts dieser Herausforderungen einen ihrer Forschungsschwerpunkte auf die Sicherung der pflanzlichen Primärproduktion gelegt. Im Fokus steht dabei neben der Nahrungsmittelsicherung auch die pflanzliche Biomasseproduktion in Hinblick auf erneuerbare Energien wie z. B. Biokraftstoffe.

Effektive Abwehrreaktionen

Am Institut für Biologie III der RWTH Aachen forscht die Arbeitsgruppe des „RiceBarley-Lab“ an Pflanzenkrankheiten, die den Ernteertrag bei den wichtigen Kulturpflanzen Reis, Gerste, Weizen und Sojabohne bedrohen. Diese Arbeiten basieren auf der Beobachtung, dass Pflanzen zwar von bestimmten pilzlichen Pathogenen geschädigt, nahe Verwandte dieser Pathogene aber von den gleichen Pflanzen erfolgreich abgewehrt werden können. Demnach sind die Pflanzen also grundsätzlich befähigt, effektive Abwehrreaktionen gegen diese Pathogene auszuführen. Ein erfolgreiches Pathogen scheint im Verlauf der Evolution die Fähigkeit erworben zu haben, diese Abwehr entweder aktiv zu unterdrücken oder sich selbst derart zu maskieren, dass die attackierte Pflanze den Angriff nicht als solchen wahrnimmt. Nicht entsprechend angepasste Pathogene können keine Krankheiten verursachen, ein Phänomen, das als Nichtwirtresistenz bezeichnet wird. Diese Form der Resistenz ist gegen ein breites Spektrum von Pathogenen wirksam und hat sich in der Natur über einen langen Zeitraum bewährt. Im Gegensatz dazu ist die Effizienz von spezifischen Resistenzgenen, wie sie häufig in Kulturpflanzen vorkommen, die durch Züchtung geschaffen wurden, oft nur auf wenige Jahre beschränkt. Durch ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen der Nichtwirtresistenz und eine Integration der gewonnenen Erkenntnisse in die moderne Züchtung könnte es möglich werden, unsere heutigen Kulturpflanzen zukünftig vor einer Vielzahl gefährlicher Pathogene nachhaltig zu schützen.

Resistenz gegen nicht angepasste Pathogene

Der Pilz Magnaporthe oryzae ist vor allem im Reisanbau, aber auch bei Weizen und Gerste (Abb. 1), ein gefürchtetes Pathogen, das regelmäßig große wirtschaftliche Schäden anrichtet. In Abb. 2A sind Gerstenblätter einer Kultursorte dargestellt, die im Labor mit zwei unterschiedlichen Pathogenen der Gattung Magnaporthe in Kontakt gebracht wurden. Es ist zu erkennen, dass nur das Isolat BR32 der Art Magnaporthe oryzae, nicht aber das Isolat CD180 einer anderen Art Krankheitssymptome hervorrufen kann, obgleich beide Pilzarten sehr nahe miteinander verwandt sind. Gerstenpflanzen zeigen also eine Nichtwirtresistenz gegen die letztgenannte Pathogenart, während Magnaporthe oryzae ein erfolgreiches Pathogen auf seinem Wirt – der Gerste – ist.

Individuelle Abwehr attackierter Zellen

Um dem Mechanismus auf die Spur zu kommen, mit dem Gerste sich im Fall der Nichtwirtresistenz wehrt, wurden mikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Hierbei ließ sich feststellen, dass bei einer erfolgreichen Abwehr entweder das Eindringen des Pilzes in die pflanzlichen Zellen oder dessen Wachstum von Zelle zu Zelle verhindert wird. Um die Reaktionen der Pflanze sichtbar zu machen, wurde im ersten Fall der Farbstoff Anilinblau verwendet, der eine Substanz enthält, die an das pflanzliche Polymer Kallose bindet und bei Anregung mit UV-Licht eine spezifische Fluoreszenz zeigt. Die pflanzliche Zellwand wird durch die Anlagerung von Kallose (in Abb. 2C sichtbar anhand der hellen Spots) dort verstärkt, wo der Pilz einzudringen versucht. Eine andere erfolgreiche Abwehrreaktion ist das Einkapseln des Pilzes, nachdem dieser bereits in eine pflanzenzelle eingedrungen ist. Hierbei akkumulieren phenolische Komponenten in der Zellwand der befallenen Zelle. Die Phenole können anhand einer Autofluoreszenz, die bei Bestrahlung mit UV-Licht auftritt, sichtbar gemacht werden (helle, gelbliche Färbung der Zellwand, Abb. 2C). Letztendlich stirbt die befallene Wirtszelle bei diesem Vorgang zwar ab, ein Phänomen, bekannt als „hypersensitiver Zelltod“, jedoch wird die gesamte Pflanze durch dieses Opfer gerettet.

Molekulargenetische Analysen als Schlüssel zum Verständnis

Wie die histologischen Untersuchungen zeigten, sind die Abwehrreaktionen der Epidermis essenziell für den Erfolg der Nichtwirtresistenz in Gerste. Zur Identifizierung der Gene, die diesen Prozess steuern, wurden vergleichende Microarray-Experimente mit isoliertem Epidermisgewebe aus der Wirt- bzw. Nichtwirtinteraktion durchgeführt (Abb. 3). Mithilfe von Microarrays lässt sich die Gesamtheit der aktiven Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt ermitteln. Es zeigte sich, dass im Fall der Nichtwirtresistenz zu sehr frühen Zeitpunkten der Infektion eine Vielzahl an Genen aktiviert wird, während dies in der Wirtinteraktion gar nicht oder erst später erfolgt [3]. Zum Nachweis, ob die so identifizierten Gene tatsächlich eine bedeutende Rolle in der Nichtwirtresistenz spielen, wird eine Methode angewandt, die sich virusinduziertes Gene-Silencing (VIGS) nennt (Abb. 3). Hierbei wird ein Mechanismus ausgenutzt, mit dem Pflanzen die Anreicherung von Transkripten viraler Gene im Fall einer Infektion verhindern. Dass ein solcher Ansatz in Gerste funktioniert, wurde mithilfe eines Testgens verifiziert, das normalerweise den Abbau des Chlorophylls im Blatt verhindert [4]. Nach erfolgreichem VIGS-vermittelten Ausschalten dieses Gens erscheinen betroffene Blätter weißlich (siehe Artikelanfang). In weitergehenden Untersuchungen wird nun analysiert, ob eine VIGS-vermittelte Änderung der Expression von Gerstengenen, die in den Microarray-Analysen identifiziert wurden, die Effektivität der Nichtwirtresistenz bei nachfolgenden Infektionen vermindert (Abb. 3). Diese Untersuchungen werden aktuell in dem von der European Research Area on Plant Genomics (ERA-PG) geförderten Projekt „TritNonhost“ zur integrativen genomischen und genetischen Analyse der Nichtwirtresistenz verschiedener Triticeae-Arten auf eine breite wissenschaftliche Basis gestellt (http://www.erapg.org/everyone/16790/18613/19533/19545). Ziel dieser gemeinsamen Anstrengungen ist es, robuste und phänologisch untermauerte Daten für eine gezielte Züchtung neuer Kultursorten von Gerste und Weizen mit nachhaltigen, auf dem Mechanismus der Nichtwirtresistenz basierenden Resistenzeigenschaften bereitzustellen.

schaffrath@bio3.rwth-aachen.de

Literatur

[1] Oerke et al., [1994] Crop production and crop protection, Elsevier Science B.V., Amsterdam
[2] Luck et al. [2011] Plant Pathol. 60, 113-121
[3] Zellerhoff et al. [2010] Plant Physiol. 152, 2053-2066
[4] Holzberg et al. [2002] Plant Journal 30, 315-327