Genome Editing bringt große Hoffnungen auf die Verbesserung von Nutzpflanzen im Hinblick auf die Herausforderungen des Klimawandels, aber auch auf die Züchtung von Krankheitsresistenzen und eine verbesserte Nachhaltigkeit der Landwirtschaft.
Einem Forscherteam unter Leitung des IPK Leibniz-Instituts ist es nun gelungen, mit der Genschere Cas9 ein Gen in Gerste zu verändern und damit neue Resistenzen gegen wichtige Viren für Wintergerste verfügbar zu machen. Die Ergebnisse wurden heute in der renommierten Zeitschrift veröffentlicht Zeitschrift für Pflanzenbiotechnologie.
Wie Pilze und Insekten sind Viren ernsthafte Krankheitserreger für Nutzpflanzen. Bei Getreide gewinnen Viren, die über Mikroorganismen im Boden auf die Pflanzen übertragen werden, zunehmend an Bedeutung. Bei Gerste sind dies vor allem das gelbe Mosaikvirus der Gerste (BaYMV) und das milde Mosaikvirus der Gerste (BaMMV). Beide werden im Herbst auf junge Sämlinge der Wintergerste übertragen und können Ertragseinbußen von bis zu 50 Prozent verursachen.
Resistenzzüchtung spielt eine wesentliche Rolle, um mit diesen Krankheitserregern fertig zu werden. Obwohl fast alle aktuellen europäischen Wintergerstensorten gegen diese Viren resistent sind, haben einige Virusstämme diese weit verbreitete Resistenz bereits durch genetische Anpassung überwunden. Ein breiter Durchbruch der natürlichen Abwehrkräfte ist nur eine Frage der Zeit. Angesichts der Langwierigkeit von Züchtungsmaßnahmen ist es dringend erforderlich, neue Resistenzquellen zu identifizieren und zügig für die Züchtung einzusetzen.
Auf der Suche nach solchen neuen Resistenzen durchsuchte ein Forscherteam unter Leitung des IPK Leibniz-Instituts Material aus der Genbank des Instituts. 2014 wurden sie bei alten Landrassen und wilden Verwandten der Kulturgerste fündig.
„Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass das PDIL5-1-Gen, das an der Bildung dreidimensionaler Proteinstrukturen beteiligt ist, auch eine zentrale Rolle bei der Resistenz von Pflanzen gegen Viren spielt“, erklärt Robert Hoffie aus der Forschung „Pflanzenreproduktionsbiologie“. Gruppe.
Dies ist ein sogenannter Suszeptibilitätsfaktor, den wirtsabhängige Viren nutzen, um sich im Pflanzengewebe zu vermehren. „Eine entscheidende Erkenntnis für uns war, dass resistentes Genbankmaterial Varianten des PDIL5-1-Gens enthielt, die durch Mutation ihre Funktion verloren hatten und somit für das Virus nicht mehr nutzbar sind“, sagt der IPK-Wissenschaftler und Erstautor der Studie.
Das Einkreuzen solcher Resistenz-vermittelnder Genvarianten in das vorhandene Zuchtmaterial der europäischen Wintergerste ist jedoch mühsam und zeitaufwändig.
„Deshalb haben wir mit der Cas9-Genschere das PDIL5-1-Gen in zwei anfälligen Gerstensorten durch gezielte Mutagenese abgeschaltet und so viel schneller und ohne zusätzliche genetische Veränderungen in den Gerstensorten Erfolge erzielt“, sagt Hoffie. Die Ergebnisse waren mehr als vielversprechend; „Die Zielpflanzen waren im Gewächshausversuch gegen eine Infektion mit dem Gerstenmosaikvirus (BaMMV) resistent und es gab keine negativen Auswirkungen auf Wachstum oder Ertrag.“
„Die Studie zeigt exemplarisch, wie wir unser Genbankmaterial heute mit äußerst effizienten und präzisen biotechnologischen Werkzeugen wie der Genschere Cas9 für die Pflanzenzüchtung nutzen können“, kommentiert Dr Biologie“ Forschungsgruppe. Gleichzeitig eröffnen die neuen Erkenntnisse auch weitere Perspektiven der Forschung. Wir gehen beispielsweise davon aus, dass die Modifikation von PDIL-Genen auch bei anderen Pflanzenarten zu Virusresistenzen führen kann.
Mehr Informationen:
Robert Eric Hoffie et al, Neuartige Resistenz gegen das Bymovirus BaMMV, etabliert durch gezielte Mutagenese des PDIL5‐1‐Suszeptibilitätsgens in Gerste, Zeitschrift für Pflanzenbiotechnologie (2022). DOI: 10.1111/pbi.13948
Zur Verfügung gestellt vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung