Eine obskure Wildgrasart enthält eine „Blockbuster“-Krankheitsresistenz, die mit Weizen gekreuzt werden kann, um Immunität gegen einen der tödlichsten Krankheitserreger zu verleihen.
Ein kollaboratives internationales Forscherteam identifizierte das Stammrost-Resistenzgen der wilden Ziegengrasart Aegilops sharonensis.
Das Forschungsteam unter der Leitung des John Innes Centre, des Sainsbury Laboratory und der University of Minnesota nutzte bioinformatische Fortschritte, um die erste genaue Genomkarte von Aegilops sharonensis zu entwickeln.
Das genetische Potenzial dieses robusten Verwandten des Weizens, der in Israel und im Südlibanon vorkommt, ist weitgehend unerforscht.
Unter Verwendung der genetischen Karte und einer Suchwerkzeugtechnik namens Mutant Hunter scannte das Team das Genom nach Mutationen, um nach Mutationen zu suchen, die sich von Pflanzen unterschieden, die gegen Stammrost immun waren, eine Krankheit, die Landwirte seit Jahrtausenden beunruhigt.
Diese Suche identifizierte ein Kandidatengen, von dem die Forscher annahmen, dass es für den Schutz von Pflanzen verantwortlich sei. Mit einer molekularen Pinzette isolierten sie das interessierende Gen und transferierten es in eine anfällige Pflanze, wo es einen starken Schutz gegen alle getesteten Stämme des Weizenstamm-Rostpilzes Puccinia graminis f. sp. tritici.
Dr. Brande Wulff, ein Weizenforscher an der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), früher Gruppenleiter am John Innes Center und einer der Autoren der Studie, sagte: „Wir haben jetzt dieses Blockbuster-Gen, das eine erstaunliche Immunität verleiht . Wenn ich Stammrost wäre, würde ich in meiner Spore zittern.“
„Es war eine mühsame, viele Jahre dauernde Forschungsreise, aber wir haben jetzt dieses Gen gefunden, das eine Breitspektrum-Resistenz verleiht. Wir müssen noch auf ein Isolat des Erregers stoßen, das das Gen überwinden kann“, fügte Dr Guotai Yu, Erstautor der Studie.
In dieser Studie, die in erscheint Naturkommunikation, zeigten Experimente, dass das Sr62-Gen für ein Molekül namens Tandem-Proteinkinase kodiert. Laufende Studien untersuchen, wie dieses Gen funktioniert, damit Forscher den Mechanismus biologisch manipulieren können, um effizienter zu sein.
Das Forschungsteam plant, das neue Gen als Teil eines Stapels von Genen einzusetzen, die in häufig verwendete Weizensorten gezüchtet werden, und zwar unter Verwendung von Gentechnik. Sie sagen voraus, dass mehr Resistenzgene in Populationen von Aegilops sharonensis und anderen Wildgräsern identifiziert und geklont werden, indem sie ihre Methoden der Genentdeckung und -bereitstellung verwenden.
Es ist bekannt, dass Aegilops sharonensis viele Merkmale von landwirtschaftlicher Bedeutung besitzt, wie z. B. Resistenz gegen große Krankheiten, einschließlich Rost. Seine lange Generationszeit, die zähe Samenschale und die Schwierigkeiten, es mit Weizensorten zu kreuzen, haben es jedoch weniger handhabbar gemacht als andere Arten von Wildgräsern, die wegen nützlicher genetischer Merkmale abgebaut werden.
Das macht die Erkenntnisse dieser Studie noch wertvoller, erklärt Professor Brian Steffenson von der University of Minnesota und Co-Autor der Studie: „Angesichts der großen Schwierigkeiten, Aegilops sharonensis mit Weizen zu kreuzen, waren wir ziemlich sicher, dass die Rostresistenz-Gene entdeckt wurden in freier Wildbahn wäre neu.“ Aegilops sharonensis hat ein sehr schmales Lebensraumspektrum entlang der Küstenebene des Mittelmeers. Professor Steffenson fügt hinzu: „Es ist daher zeitgemäß und wichtig, dass Anstrengungen unternommen werden, um Akzessionen dieser Art zu sammeln und zu charakterisieren, bevor sie durch die Urbanisierung verloren gehen. Wir hoffen, dass das in dieser Forschung geklonte Resistenzgen, wenn es mit anderen Genen kombiniert wird, übertragen wird langanhaltende Resistenz bei Weizensorten und damit Reduzierung der Gefahr der Stammrostkrankheit“
Die Studie hebt die jüngsten Entwicklungen in Lateinamerika hervor, wo gentechnisch veränderter (GV) Weizen zugelassen wurde, der für Trockenheitstoleranz entwickelt wurde – was möglicherweise den Weg dafür ebnet, dass angesichts der Klimakrise GV-Merkmale in breiterem Umfang in Weizen gezüchtet werden.
Die Suche nach Resistenzen gegen den Stammrost ist dringlicher geworden, da Epidemien der Krankheit immer häufiger werden und der Klimawandel seine Ausbreitung weiter zu verstärken droht.
„Krankheitserreger wie der Stängelrost reduzieren den Ertrag von Weizen bereits um 21 Prozent. Nicht nur das Korn selbst geht verloren oder wird durch den Erreger beschädigt, sondern auch die Energie, die in die Produktion fließt – umgerechnet 420 Milliarden Kilowatt – genug, um 300 Millionen mit Strom zu versorgen Häuser in den Entwicklungsländern werden verschwendet. Wenn wir mit Genetik eingreifen können, indem wir die Resistenz rekrutieren, die in diesem wilden, wuscheligen Gras gefunden wird, dann wäre das ein erstaunlicher Beitrag zur Landwirtschaft und zum Klimawandel“, sagte Dr. Wulff.
„Aegilops sharonensis genomunterstützte Identifizierung des Stammrostresistenzgens Sr62“ erscheint in Naturkommunikation.
Aegilops sharonensis genomgestützte Identifizierung des Stammrostresistenzgens Sr62, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29132-8