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PUBLIC RELEASE DATE: 19-Aug-2004

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Kölner Max-Planck-Forscher entschlüsseln Resistenzmechanismus der Gerste gegen Pilzinfektionen



Abb.: Zwei Gerstenhren: Die begrannte hre stammt von einem europischen Elitekultivar und die unbegrannte von einer thiopischen Landrasse mit dem natrlichen Resistenzgen gegen den Mehltaupilz.
Bild: Ralph Panstruga, Max-Planck-Institut fr Zchtungsforschung

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Der Mehltau ist eine bei Getreide hufig auftretende Pilzerkrankung, die nur durch regelmigen Fungizideinsatz groe Ertragseinbuen in der Landwirtschaft verhindert. Einige Getreidesorten sind jedoch von Natur aus gegen den Mehltaupilz immun. Bei der Gerste sind es u.a. Sorten, die einen Defekt im Mlo-Gen haben und flchendeckend in Europa angebaut werden. Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut fr Zchtungsforschung (MPIZ) in Kln ist es nun zusammen mit Kollegen in Grobritannien, Frankreich und Dnemark gelungen, das Geheimnis dieser Resistenz zu lften und dabei gleichzeitig ein Schlaglicht auf die Kulturgeschichte der Pflanzenzchtung zu werfen (Nature, 19. August 2004, Titelgeschichte).

Pflanzen besitzen - hnlich wie Tier und Mensch - ein ausgeklgeltes mehrstufiges Immunsystem, das es ihnen ermglicht, Parasiten zu erkennen und zu tten. Fr die Erkennung von Parasiten ist eine regelrechte Armada von pflanzlichen Rezeptoren verantwortlich, ein Radarsystem, das Pflanzenzellen den Angriff von Schaderregern signalisiert. Will ein Parasit dieses Immunsystem berwinden, muss er entweder das Radar der Rezeptoren unterlaufen oder zellulre Immunreaktionen lahm legen, die der Erkennung nachgeschaltet sind. Der Mehltaupilz hat sich fr die letztere Variante entschieden und manipuliert zu diesem Zweck ein in der Zellmembran von Gerstepflanzen vorkommendes so genanntes MLO-Protein, fr das das zugehrige Mlo-Gen im DNA-Erbgut die Bauanleitung liefert. Seit lngerer Zeit war bekannt, dass im Labor erzeugte Mutationen im Mlo-Gen entweder zu einer fehlerhaften Bauanleitung oder zum Fehlen des Proteins fhren und dadurch dem Mehltauparasiten die Grundlage entziehen, mit deren Hilfe er die Immunantwort der Pflanze sabotiert.

Tatschlich gibt es aber auch eine natrlicherweise entstandene Mutation im Mlo-Gen, die Pilzresistenz zur Folge hat: es sind aus dem Hochland von thiopien stammende Landrassen, primitive Zuchtformen der Gerste. Sie sind von einer Expedition Ende der 30er Jahre des vorigen Jahrhunderts erstmals nach Europa gebracht worden. Diese Mutation spielt in der Landwirtschaft eine bedeutende Rolle - sie wurde in etwa 70 Prozent der in Deutschland angebauten Sommergersten eingekreuzt und ist auch in den europischen Nachbarlndern weit verbreitet. Sommergerste liefert den Rohstoff bei der Herstellung von Bier und Whiskey. Die mlo-resistenten Sorten haben sich in den vergangenen 30 Jahren hervorragend im Feldanbau bewhrt und den Einsatz von Fungiziden gegen den Mehltaupilz berflssig gemacht.

Auf der Suche nach dem Mechanismus dieser Resistenz stieen die Forschergruppen von Ralph Panstruga und Paul Schulze-Lefert auf ein Bruchstck des Mlo-Gens, das mehrfach wiederholt im Genom der Mutante auftaucht. Ungefhr zehn direkt benachbarte Wiederholungseinheiten dieser Gen-Trmmer konnten die Wissenschaftler nachweisen. Sie befinden sich "stromaufwrts" auf der DNA, direkt neben dem regulren Gen und sind unmittelbar mit der Mehltauresistenz der Pflanzen verknpft. "Die Genbruchstcke werden mit dem normalen Gen abgelesen", erklrt Schulze-Lefert. "Damit ist aber das ursprngliche Leseraster in der Regel nicht mehr zu erkennen, und das MLO-Protein kann nicht produziert werden." Wenn doch einmal das richtige Leseraster gefunden wird - was in Einzelfllen vorkommt - knnen zumindest kleinste Mengen des MLO-Proteins hergestellt werden, und in ganz geringem Umfang und mit dem bloen Auge kaum erkennbar kann der Parasit dann noch auf den Blttern der Gerste wachsen.

Aber auch eine andere Frage hat das Interesse der Klner Max-Planck-Forscher geweckt: Wann entstand diese Vernderung des Mlo-Gens in der freien Natur? Eine Art "genetischer Fingerabdruck" der thiopischen Landrassen verriet, dass die Mutation erst "krzlich" - wahrscheinlich vor weniger als 10.000 Jahren - entstanden ist; ein Zeitraum, der mit der Kultivierung der Gerste durch den Menschen gut bereinstimmt. "Wir vermuten, dass die mehltauresistenten Landrassen mglicherweise von thiopischen Ureinwohnern als vorteilhaft erkannt und vermehrt worden sind", sagt Ralph Panstruga.

Die heutzutage in Europa angebauten Gerstesorten sind einander auerordentlich hnlich: es gibt nur drei Grundtypen, whrend Wildgerste eine nahezu unbegrenzte genetische Vielfalt aufweist. Diese genetische Verarmung unserer Kultursorten stellt nach Ansicht der Forscher durchaus ein Problem dar; denn es fehlt an einer "gesunden" Vielfalt von Bauanleitungen fr Rezeptoren des pflanzlichen Immunsystems - die Zuchtformen sind daher verstrkt krankheitsanfllig. Die auerordentliche Effizienz des in Wildformen vorkommenden Repertoirs von Immunrezeptoren knnte auch erklren, warum sich in den Wildformen die mlo-Resistenz offensichtlich nicht durchsetzen konnte. Der Ausfall des Mlo-Gens hat nmlich, neben der wnschenswerten Mehltauresistenz, auch andere Effekte (z.B. eine vorzeitige Alterung der Bltter), die zwar in den Zuchtformen von untergeordneter Bedeutung sind, in den Wildformen aber zu einem Wettbewerbsnachteil fhren. Die Forscher pldieren daher fr eine zuknftige rationale Resistenzzchtung in Pflanzen. So knnte das Repertoir von Immunrezeptoren beispielsweise durch gezieltes Einkreuzen von Genen aus Wildformen oder durch das Einbringen verschiedener Kombinationen dieser Gene mit Hilfe der Gentechnologie deutlich erweitert werden.

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