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Neuer Schutz vor verbreiteter Zuckerrüben-Krankheit

06.06.2017

Forschungsteam unter Leitung der Universität Kiel entdeckt Resistenzgen zur Sicherung landwirtschaftlicher Erträge

Die Ernährungssicherheit hängt angesichts des rasanten Anstiegs der Weltbevölkerung künftig von wachsenden landwirtschaftlichen Erträgen ab. Seit jeher ist der Pflanzenbau allerdings von verschiedenen Pflanzenschädlingen bedroht, die schlimmstenfalls für umfangreiche Ernteausfälle sorgen können. Die Zuckerrübe spielt in Europa und speziell in Norddeutschland eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Ihr Anbau ist jedoch immer stärker durch das Auftreten einer als Rizomania bezeichneten Pflanzenkrankheit bedroht.


Von Rizomania befallene Zuckerrüben (links und Mitte) und ein gesundes Exemplar im Vergleich.

Foto: Dr. Bernd Holtschulte


Rizomania-infizierte Pflanzen zeigen eine typische Blattvergilbung (Mittelreihe). Die resistenten Zuckerrüben zeigen dagegen keine Symptome.

Foto: Dr. Bernd Holtschulte

Das durch bodenlebende Pilze übertragene Virus ist weltweit für bis zu 80 Prozent der Ertragsverluste beim Zuckerrübenanbau verantwortlich. Rizomania lässt sich nicht mit herkömmlichen Schutzmethoden, zum Beispiel durch Pflanzenschutzmittel, bekämpfen.

Eine seit Jahrzehnten eingesetzte Strategie gegen die dadurch verursachten Ertragseinbußen sind sogenannte Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen: In der Landwirtschaft kommen aktuell vor allem Zuckerrübensorten zum Einsatz, in die eine Resistenz gegenüber Rizomania gezüchtet wurde. Dem Krankheitserreger gelingt es aber in den letzten Jahren immer öfter, den in diesen Rüben vorhandenen Resistenzmechanismus zu überwinden.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bielefeld und weiteren internationalen Expertinnen und Experten, ein in Wildpopulationen der Zuckerrübe vorkommendes Rizomania-Resistenzgen zu identifizieren, das für eine alternative Resistenzbildung verantwortlich ist. Die neu erlangte Kenntnis ihres genetischen Ursprungs macht diese zweite Resistenz nun gezielt für die Pflanzenzüchtung nutzbar. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden heute in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications.

Die zweite Resistenz gegen das Virus war bereits bekannt und ist auch in manchen bestehenden Rübensorten vorhanden. Daher konnte auch beobachtet werden, dass das Virus diese zweite Art der Resistenz bisher nicht überwinden konnte. Die Rübensorten, die diesen alternativen Schutz aufweisen, bringen allerdings in der Regel weniger Ertrag als die gängigen Sorten.

Daher werden sie in der Landwirtschaft kaum genutzt. Bislang unbekannt war allerdings, welches Gen den zweiten Resistenzmechanismus steuert. Die Identifizierung des verantwortlichen Gens erlaubt es nun, die zweite Resistenz gezielt für die Sortenzüchtung zu nutzen. Für die Genidentifizierung nutzten die Forschenden nicht wie sonst üblich im Labor gezüchtete, künstliche Populationen der Rübe. Stattdessen widmeten sie sich dem Genom, also den gesamten genetischen Informationen, einer in Dänemark vorkommenden Wildpopulation der Zuckerrübe. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber Rizomania war den Forschenden bereits bekannt.

Sie konzentrierten sich auf ein spezielles Wildrübenvorkommen, das in der Küstenregion um Kalundborg auf der dänischen Insel Seeland vorkommt. "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass resistente und anfällige Wildrüben dort auf einer Strecke von 15 Kilometern nebeneinander vorkommen", sagt Dr. Gina Capistrano-Gossmann vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung an der CAU. "Resistente Pflanzen haben dort also keinen Vorteil gegenüber anfälligen Pflanzen, da der Boden nicht mit dem Rizomania-Virus infiziert ist", erklärt Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie.

Um die genetische Grundlage der Resistenzbildung in diesen Wildrüben zu entschlüsseln, setzte das Forschungsteam einen innovativen Ansatz zur Gewinnung genetischer Ressourcen aus natürlichen Wildpflanzenpopulationen ein. "Durch die Kombination von Sequenzvergleichen von wenigen resistenten und anfälligen Wildrüben mit einer Assoziationsanalyse in der gesamten Wildrübenpopulation konnte die Lage des bislang unbekannten Resistenz-Gens im Genom eingegrenzt werden", sagt Professor Bernd Weisshaar von der Universität Bielefeld, der die bioinformatische Auswertung der Studie leitete.

Die Kenntnis der Gen-Sequenz, die für die Resistenzbildung verantwortlich ist, erlaubt es nun direkt zwischen resistenten und anfälligen Jungpflanzen zu unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die von dieser Sequenz kontrollierte Resistenzreaktion der Zuckerrüben auf molekularer Ebene zu untersuchen.

Die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liefern eine Basis für weitere Forschungsarbeiten und ebenso für die praktische Nutzung in der Zuckerrübenzüchtung. In Zukunft könnten der Landwirtschaft damit Rübensorten zur Verfügung stehen, die zuverlässig unempfindlich gegenüber Rizomania sind. Der Ursprung dieser Resistenz in den Wildpflanzen unterstreicht nicht zuletzt, welches Potenzial in der Bewahrung der natürlichen Biodiversität und ihres genetischen Pools steckt. Dieses bleibe nur durch den Schutz der Wildpflanzenvorkommen nutzbar, die es also zum Beispiel in Schutzgebieten zu erhalten gelte, resümieren die Forschenden.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
  
Originalpublikation:
Gina Capistrano-Gossmann, David Ries, Daniela Holtgräwe, Andre Minoche, Thomas Kraft, Sebastian Frerichmann, Thomas Rosleff Sörensen, Juliane Dohm, Irene Gonzalez, Markus Schilhabel, Mark Varrelmann, Hendrik Tschoep, Hubert Uphoff, Katia Schütze, Dietrich Borchardt, Otto Toerjek, Wolfgang Mechelke, Jens Lein, Axel Schechert, Lothar Frese, Heinz Himmelbauer, Bernd Weisshaar, and Friedrich Kopisch-Obuch. "Crop wild relative populations of Beta vulgaris allow direct mapping of agronomically important genes". Nature Communications, Published on June 6, 2017,
as https://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15708

Bilder stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-176-1.jpg
Bildunterschrift: Von Rizomania befallene Zuckerrüben (links und Mitte) und ein gesundes Exemplar im Vergleich.
Foto: Dr. Bernd Holtschulte

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-176-2.jpg
Bildunterschrift: Rizomania-infizierte Pflanzen zeigen eine typische Blattvergilbung (Mittelreihe). Die resistenten Zuckerrüben zeigen dagegen keine Symptome.
Foto: Dr. Bernd Holtschulte

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-176-3.jpg
Bildunterschrift: An der dänischen Küste in der Region Kalundborg wachsen wilde Rüben, deren Gene das Forschungsteam nun analysierte. Foto: Dr. Friedrich Kopisch-Obuch

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-176-4.jpg
Bildunterschrift: Dr. Gina Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie, untersucht ein natürliches Rübenvorkommen. Foto: Dr. Gina Capistrano-Gossmann

Kontakt:
Dr. Gina Capistrano-Gossmann
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-3210
E-Mail: g.capistrano@plantbreeding.uni-kiel.de

Prof. Dr. Bernd Weisshaar
Lehrstuhl für Genomforschung, Universität Bielefeld
Tel.: 0521-1068720
E-Mail: bernd.weisshaar@uni-bielefeld.de

Weitere Informationen:
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
http://www.plantbreeding.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
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Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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