Kombination von Abwehrgenen schützt Weizen besser gegen Mehltau

UZH-Pflanzenforscher haben getestet, wie sich neu entwickelte Weizenlinien mit einer verbesserten Resistenz im Freiland verhalten. Sie weisen nach, dass die Kombination von zwei Varianten eines Resistenzgens den Weizen besser gegen die Pilzkrankheit schützt.

Von Mehltau befallener Weizen
Von Mehltau befallener Weizen
Die untersuchten Weizenlinien wurden in schachbrettartig angeordneten Parzellen angebaut. (Weizenfeld in Zürich-Affoltern, ©Mario Waldburger, Agroscope)

Für eine gute Weizenernte braucht es robusten Weizen. Doch dieser wird häufig von Pilzkrankheiten wie Mehltau befallen. Seit mehreren Jahren beschäftigen sich UZH-Wissenschaftler mit einem Gen aus Weizen, das Resistenz gegen den Erreger von Mehltau (Blumeria graminis f. sp. tritici) vermittelt. Dieses Resistenzgen mit der Bezeichnung Pm3 kommt in verschiedenen Varianten, sogenannten Allelen vor. In vorangehenden Studien bewies das Team um den Pflanzenbiologen Beat Keller, dass Pm3 alleine und sehr effizient Mehltauresistenz vermitteln kann. Ein einzelnes Resistenzgen kann aber schnell seine Wirksamkeit verlieren. Deshalb ist es in der Pflanzenzüchtung wichtig, mehrere Resistenzgene zu kombinieren. Genau dies haben die UZH-Forschenden mit transgenen Weizenlinien in Feldversuchen getestet.

Kombination zweier Genvarianten erhöht Mehltauresistenz

Die Forschenden erzeugten neue Weizenlinien, indem sie jeweils zwei transgene Pm3-Weizenlinien (siehe Box) kreuzten. Durch die Kreuzungen entstanden vier neue Weizenlinien, die jeweils zwei verschiedene Pm3-Genvarianten enthielten. «Tatsächlich zeigten die vier neuen Weizenlinien im Feld eine verbesserte Mehltausresistenz gegenüber ihren Elternlinien – während der Versuchsjahre von 2015 bis 2017», erklärt Studienerstautorin Teresa Koller.

Keine negativen Auswirkungen auf Weizenertrag

Im Labor wiesen die Wissenschaftler nach, dass sich die Genaktivität der Elternlinien in den Nachkommen summiert. Die einzelnen Pm3-Genvarianten in den vier neuen Linien zeigen die gleiche Aktivität wie in den Elternlinien, wodurch sich die gesamthafte Resistenz, da von zwei Genvarianten stammend, in den Nachkommen erhöht. «Die verbesserte Mehltauresistenz ist sowohl auf die erhöhte Gesamtaktivität als auch auf die Kombination der zwei Pm3-Genvarianten zurückzuführen», fasst Teresa Koller zusammen. Die hohe Gesamtaktivität der Resistenzgene hatte keine negativen Auswirkungen auf die Entwicklung des Weizens sowie dessen Ertrag.

Für Züchtung bei modernen Weizensorten nutzbar

Die Resultate dieser Versuche dienen in erster Linie dem verbesserten Verständnis des Immunsystems der Pflanzen generell, und im Speziellen der Pilzkrankheitsresistenz des wichtigen Grundnahrungsmittels Weizen. Neben dem Beitrag zur Grundlagenforschung am Pflanzenimmunsystem können die Resultate auch in der Weizenzüchtung verwendet werden. Durch das präzise Testen der Pm3-Genvarianten werden die besten Varianten identifiziert und können direkt in der klassischen Züchtung verwendet werden, indem sie in moderne Weizensorten eingekreuzt werden.

Literatur:

Teresa Koller, Susanne Brunner, Gerhard Herren, Severine Hurni, and Beat Keller. Pyramiding of transgenic Pm3 alleles in wheat results in improved powdery mildew resistance in the field. Theoretical and Applied Genetics. January 11, 2018. DOI: 10.1007/s00122-017-3043-9

Funktion Resistenzgen Pm3

Das Gen Pm3 ist die «Bauanleitung» für ein Protein, das Signale in der Pflanzenzelle wahrnehmen kann, ein Rezeptor. Dieser kann sogenannte Avirulenzproteine, kurz AvrPm3, des Mehltaus erkennen. Der Rezeptor löst sofort den Zelltod der Pflanzenzelle aus, wenn der krankmachende Pilz versucht, das Protein AvrPm3 ins Pflanzenzellinnere zu schleusen. Durch den Tod der attackierten Zellen ist der Rest der Pflanze vor dem Pilz geschützt. Verschiedene Pm3-Genvarianten, sogenannte Pm3-Allele, kodieren für verschiedene Varianten des Rezeptors. Diese Rezeptorvarianten können verschiedene AvrPm3-Proteine des Mehltaus erkennen.

Frühere Studien

Die Gruppe von Prof. Beat Keller identifizierte verschiedene Pm3-Genvarianten in mehltauresistenten Weizensorten aus verschiedenen Weltregionen. Zur Überprüfung der Funktion und Wirksamkeit dieser verschiedenen Pm3-Genvarianten wurden sie mittels gentechnischer Methoden ins Genom der Sommerweizensorte «Bobwhite» eingebaut. «Bobwhite» besitzt selbst kein funktionstüchtiges Pm3-Gen und ist sehr anfällig auf Mehltau. Die transgenen Bobwhite-Weizenlinien, die jeweils eine einzelne Pm3-Genvariante enthalten, wurden im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms NFP59 in den Jahren 2008 bis 2010 in Feldversuchen untersucht. Die Resultate dieser Versuche wurden 2011 und 2012 veröffentlicht.