Gen schützt Weizen gegen Rost und Mehltau

«Wir haben 10 Jahre daran gearbeitet, es hat sich gelohnt», freut sich Beat Keller, Professor am Institut für Pflanzenbiologie der Universität Zürich über die erfolgreiche Forschung, deren Ergebnisse jetzt in der Online-Ausgabe des Wissenschaftsjournals «Science» publiziert wurden.

Ernteausfälle verhindern

Keller erforscht in Zusammenarbeit mit der australischen «Commonwealth Scientific and Research Organization» (CSIRO) und dem «International Maize and Wheat Improvement Center» (CIMMYT) in Mexiko die natürliche dauerhafte Resistenz von Weizen gegen diverse Krankheitserreger. Diese sind in der Landwirtschaft gefürchtet und führen zu erheblichen Ernteverlusten.

Um sich vor Krankheitserregern zu schützen, haben Pflanzen teilweise effiziente Schutzmechanismen in Form von Resistenzen entwickelt. In der Züchtung von Nutzpflanzen spielen solche pflanzeneigenen Resistenzen eine bedeutende Rolle: Sie tragen dazu bei, Ernteausfälle zu verhindern und den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren.

Allerdings schützen viele Resistenzen die Pflanze nur für begrenzte Zeit. Meist gelingt es den Krankheitserregern, sich innerhalb weniger Jahre anzupassen. Kurzzeitige Resistenzen sind aus ökonomischer Sicht von geringem Interesse, da die Entwicklung neuer Weizensorten kostspielig ist und bis zu zwanzig Jahre dauern kann. Es gibt aber einige wenige Resistenzen, bei denen bisher keinerlei Anpassung der Krankheitserreger beobachtet wurde.

Seit 50 Jahren eingekreuzt

Bis heute werden auf molekularer Ebene solche dauerhaften Resistenzmechanismen kaum verstanden. Das ändert sich nun dank der Arbeit von Keller und seinen Partnern. Ihnen ist es erstmals gelungen, die molekulare Grundlage für eine solche aussergewöhnliche Resistenz zu entschlüsseln. Verantwortlich dafür ist das Protein Lr34, respektive «das Gen, welches das Protein Lr34 kodiert», wie Keller erklärt.

Dass die Resistenz mit der Bezeichnung Lr34 Weizen dauerhaft gegen die weit verbreiteten Erreger von Braunrost, Gelbrost, Schwarzrost und Mehltau schützt, ist seit über 50 Jahren bekannt. Deshalb wurden die entsprechenden Eigenschaften in Züchtungsprogrammen weltweit in verschiedene Weizensorten eingekreuzt, ohne allerdings die molekularen Grundlagen zu kennen.

Den Forschern ist es nun gelungen, das Gen, das die Resistenz Lr34 auslöst, zu identifizieren. Und sie haben herausgefunden, dass das Lr34-Gen Ähnlichkeit mit gewissen Transportern aufweist. Diese stellen den Transport unterschiedlichster Substanzen über die Zellmembran sicher. Was Lr34 transportiert, wissen die Forscher allerdings noch nicht, «es ist eine offene Frage, deren Antwort uns für das Verständnis der Funktionsweise weiterbringen würde», erklärt Keller.

Verfrühte Blattalterung

Grund für die Resistenz der Weizensorten mit Lr34 ist wahrscheinlich eine leicht verfrühte Blattalterung. Diese scheint zu verhindern, dass sich die Pilze entwickeln können, die auf Nährstoffaufnahme aus dem lebenden Blatt angewiesen sind. Die verfrühte Blattalterung, während der die Nährstoffe aus dem Blatt in die Samen verlagert werden, könnte zu einem Versorgungsengpass für den Pilz führen und so für die erhöhte Resistenz der Pflanze verantwortlich sein. Noch unklar ist, weshalb sich die Erreger der Krankheit nicht an diese Gegebenheiten anpassen können.

Die Identifizierung des Gens Lr34 ist ein erster fundamentaler Schritt zum Verständnis dauerhafter Resistenzmechanismen. Die Erforschung der genauen Wirkung von Lr34 wird wichtige Erkenntnisse darüber liefern, weshalb sich Krankheitserreger an gewisse Resistenzen anpassen können, an andere jedoch nicht.

Dieses Wissen wird in der Weizenzüchtung eingesetzt werden können, um Sorten mit lang anhaltendem Schutz gegen möglichst viele Krankheiten zu entwickeln. «Revolutionär wäre es, wenn man den gleichen Prozess verwenden könnte, um Resistenzen gegen andere Krankheiten zu erzeugen», blickt Beat Keller in die Zukunft.

Und er nennt ein weiteres Ziel seiner Forschung: «Wie sich gezeigt hat, führt Lr34 allein nur zu einer partiellen Resistenz, die erst in der Kombination mit anderen Genen zu einer vollständigen wird. Wenn wir diese Gene kennen würden, könnte man eine vollständige dauerhafte Resistenz herstellen.»