Wie sich Weizen erfolgreich gegen Pilze wehrt
Getreide verfügt über natürliche Resistenzen gegen krankheitserregende
Pilze, die aber zum Beispiel der Mehltau überwinden kann. Ein Team der
Universität Zürich hat nun einen neuen Mechanismus entdeckt, mit dem
Mehltau das Immunsystem von Weizen austrickst. Dies öffnet die Tür für die
gezielte Entwicklung von Sorten mit weniger Resistenzdurchbrüchen.
Getreide gehört zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln. Weizen allein
liefert etwa zwanzig Prozent der globalen Protein- und Kalorienversorgung.
Allerdings ist die Produktion durch Pflanzenkrankheiten wie etwa dem
Weizenmehltau-Pilz gefährdet. Eine nachhaltige Alternative zur Verwendung
von Fungiziden ist der Anbau von Weizensorten, die genetisch resistent
gegen diesen Krankheitserreger sind. Allerdings ist dies in vielen Fällen
langfristig nicht wirksam, da sich Mehltau schnell weiterentwickelt und
Resistenzen überwinden kann.
Natürliche Resistenzen nutzen
Ein Team des Instituts für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität
Zürich hat nun genauer untersucht, wie es der Pilz schafft, den Weizen
trotz Anwesenheit von Resistenzgenen zu infizieren. Dabei haben die
Forschenden ein bisher unbekanntes Wechselspiel zwischen Resistenzfaktoren
des Weizens und Krankheitsfaktoren des Mehltaus entdeckt. «Dieses
vertiefte Verständnis erlaubt es, Resistenzgene gezielter einzusetzen und
das Zusammenbrechen der Resistenz zu verhindern oder zu verlangsamen»,
sagt die Postdoktorandin Zoe Bernasconi, eine der Erstautorinnen der
soeben im Fachmagazin «Nature Plants» publizierten Studie.
Der Mehltaupilz produziert hunderte von kleinen Proteinen, sogenannte
Effektoren, welche er in die Zellen der Wirtspflanze einschleust. Dort
helfen sie dabei, eine Infektion zu etablieren. Vom Weizen produzierte
Resistenzproteine können einzelne dieser Effektoren direkt erkennen. Dies
löst eine Immunantwort aus, welche die Infektion stoppt. Der Pilz umgeht
dies jedoch häufig, indem er erkannte Effektoren verändert oder sogar ganz
verliert.
Weizen wird von Pilz doppelt ausgetrickst
Das Forschungsteam hat nun einen neuen Mehltau-Effektor (genannt AvrPm4)
identifiziert, der von dem bereits bekannten Weizen-Resistenzprotein Pm4
erkannt wird. Doch überraschenderweise kann der Pilz die Pm4-vermittelte
Resistenz überwinden − und zwar ohne den Effektor zu verändern oder zu
verlieren. Der Trick dabei: Er verfügt über einen zweiten Effektor, der
die Erkennung von AvrPm4 verhindert. «Wir vermuten, dass die Funktion von
AvrPm4 für den Pilz überlebenswichtig ist und deshalb im Laufe der
Evolution dieser ungewöhnliche Mechanismus entstanden ist», so Bernasconi.
Besonders spannend ist, dass der zweite Effektor eine doppelte Funktion
hat. Er verhindert nicht nur die Erkennung des ersten Effektors AvrPm4,
sondern wird zusätzlich auch selbst von einem weiteren Resistenzprotein
erkannt. «Durch Kombination der beiden Resistenzproteine in derselben
Weizensorte könnte es somit gelingen, den Pilz in eine evolutionäre
Sackgasse zu locken, in der er der Immunantwort von Weizen nicht mehr
entfliehen kann», sagt der Postdoktorand Lukas Kunz, ein weiterer
Erstautor der Studie.
Neue Ansätze für resistentere Weizensorten
«Weil wir diese Mechanismen und die involvierten Krankheitsfaktoren des
Pilzes nun kennen, können wir effektiver verhindern, dass Mehltau die
Resistenz von Weizen durchbricht», sagt Beat Keller. Der Professor
leitete die Forschungsgruppe bis zu seiner Emeritierung im letzten Jahr.
Durch Monitoringmassnahmen des Mehltauerregers wäre es nun zum Beispiel
denkbar, resistente Weizensorten gezielt da einzusetzen, wo sie maximale
Wirkung entfalten.
Denkbar wäre auch die geschickte Kombination von Resistenzgenen in neuen
Weizensorten. «Theoretisch könnten solche Massnahmen die Entwicklung neuer
krankheitserregender Pilzstämme deutlich verlangsamen», so Keller. Das
Team hat schon erste erfolgversprechende Versuche im Labor dazu
durchgeführt. Hierfür kombinierten sie Resistenzgene, die sowohl den
Effektor AvrPm4 als auch den zweiten Effektor ausschalteten. Ob sich
dieser Ansatz im Feld bewährt, muss sich jedoch erst noch zeigen.
