Anfälligkeit und Resistenz gegen Pflanzenkrankheiten - Hans ...

Hans Eisenmann-Zentrum
1. PROFESSUR FÜR PHYTOPATHOLOGIE
Department für Pflanzenwissenschaften
Wissenschaftszentrum Weihenstephan der Technischen Universität München
Anfälligkeit und Resistenz gegen Pflanzenkrankheiten: Zwei Seiten derselben
Medaille?
Hückelhoven, R.
Pflanzenkrankheiten, die durch mikrobielle
Krankheitserreger verursacht werden, können
unter ungünstigen Umständen zum Totalverlust
von Erträgen im Kulturpflanzenbau führen. Unter
Verzicht auf chemischen Pflanzenschutz
gehen im konventionellen Bereich oft 30% des
Ertrages verloren. Zusätzliche Verluste drohen
durch Qualitätseinbußen beim Erntegut. Selbst
unter intensiven vorbeugenden und kurativen
Pflanzenschutzmaßnahmen gehen regelmäßig
5-10% des Ertragspotenzials durch Krankheiten
verloren (Hückelhoven et al. 2009).
Chemischer Pflanzenschutz ist finanziell aufwendig
und arbeitsintensiv. Darüber hinaus
können chemische Pflanzenschutzmaßnahmen
unerwünschte Wirkungen auf Nichzzielorganismen
haben. Die Mittel selbst und ihre Rückstände
in Nahrungsmitteln bergen Risiken für
die Gesundheit des Anwenders und des Konsumenten.
Außerdem erleiden chemische
Pflanzenschutzmaßnahmen oft Wirkungsverluste
durch genetische Anpassung in der Populationsstruktur
der Erreger, so dass ein intensiver
chemischer Pflanzenschutz auch wirtschaftliche
Risiken beim Landwirt und beim Anbieter mit
sich bringt. Daraus ergibt sich zwingend die
Frage nach alternativen Pflanzenschutzkonzepten
im pflanzenbaulichen Bereich. Die vielleicht
wichtigste pflanzenbauliche Maßnahme zur
Gesunderhaltung einer Pflanzenkultur ist die
Wahl krankheitsresistenter Sorten. In manchen
Kulturen wurde die Resistenz gegen Krankheiten
züchterisch lange zugunsten anderer Eigenschaften
wie Ertragspotenzial und Stickstoffnutzungseffizienz
vernachlässigt. Außerdem ist
die Resistenz ähnlich wie der chemische Pflanzenschutz
eine Maßnahme, die Anpassungen in
der genetischen Struktur der Erregerpopulationen
provoziert, da sie direkt auf die Erregerfitness
wirkt und somit einen starken Selektionsdruck
ausübt. Auch hier wurden folglich immer
wieder Resistenzen in Sorten eingebracht, die
nur kurze Zeit ihre Wirksamkeit behielten und
dann zum Schaden des Landwirts und Züchters
zusammenbrachen. Insgesamt entsteht dadurch
eine ökonomisch wenig nachhaltige Situation
des Wettlaufs zwischen dem vorgelagerten
Bereich in Forschung und Entwicklung neuer
chemischer und genetischer Pflanzenschutzmaßnahmen
gegen die anpassungsfähige Natur
der Krankheitserreger. Um eine möglichst andauernd
wirksame nachhaltige Pflanzenschutzmaßnahme
zu entwickeln, benötigt man
also neuartige Konzepte und Technologien zur
Gesunderhaltung von Kulturpflanzen (Eichmann
und Hückelhoven, 2011).
Jede Pflanze besitzt durch ihre natürliche Immunität
das genetische Potenzial zur effektiven
Selbstverteidigung gegen pathogene Keime.
Deshalb sollten bei der Entwicklung neuer
Pflanzenschutzkonzepte die Pflanzen selbst
und ihre genetischen Ressourcen im Vordergrund
stehen. Das ergibt sich auch aus der
Tatsache, dass der vorgelagerte Bereich andere
Faktoren der Krankheitsentstehung wie klimatische
Faktoren oder genetische Faktoren der
Erreger nicht kontrollieren kann. Ein noch relativ
neuer Ansatz zum Nutzen der Pflanze beruht
auf dem zunehmenden Verständnis davon,
warum eine Pflanze krank wird. Das klingt zunächst
trivial, wird aber durch verschiedene
Tatsachen zu einer technologischen Chance für
die Pflanzenzüchtung. Der erste Faktor ist die
Tatsache, dass Anfälligkeit gegen Pflanzenkrankheiten
in der Natur eine Ausnahme darstellt.
Die Mehrzahl der Pflanzen ist gegen die
Mehrzahl der potenziell pathogenen Mikroorganismen
resistent. Das beruht auf einer mehrschichtigen
natürlichen Immunität, die vielfältige
strukturelle und biochemische Abwehrmaßnahmen
gegen Pathogene steuert. Um also auf
einer Pflanze erfolgreich sein zu können, benötigen
pathogene Mikroorganismen einen sich
schnell entwickelnden biochemischen Werkzeugkasten,
der genau an die Wirtpflanzen angepasst
ist und so ihre Immunität umgeht oder
ausschaltet. Die Komplexität der Pathogenität
macht sie sensitiv für Störungen. Solche Störungen
sind genetisch fixierbar als Veränderungen
oder Verluste der Angriffspunkte von Pathogenen
in der Pflanze selbst (Abb. 1).
II. Schwerpunktthemen 21

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Virulenzfaktor
des Erregers
Pflanze A
anfällig
Anfälligkeitsfaktor
der Pflanze
Pflanze B/C
nicht anfällig
Abb. 1: Erreger-induzierte Anfälligkeit basiert auf
spezialisierten Virulenzfaktoren der Erreger, die Anfälligkeitsfaktoren
der Pflanze in ihrer Funktion beeinflussen
und zu Gunsten einer Krankheitsentwicklung
ausnutzen (links). Ist der Anfälligkeitsfaktor der Pflanze
verändert oder fehlt er, greift die Strategie des
Erregers nicht und die Pflanze bleibt resistent
(rechts).
Da der Verlust von Anfälligkeit genetisch rezessiv
vererbt ist, ist eine dauerhafte Wirkung der
Maßnahmen wahrscheinlich. Prominente Beispiele
für rezessiv-vererbte Resistenzen, die in
der Praxis relevant sind, sind die durch das
mlo-Gen vermittelte Resistenz der Gerste gegen
den Echten Gerstenmehltau (Büschges et
al., 1997) und die Insensitivität gegenüber dem
TOXA Toxin von Stagonospora nodorum, dem
Erreger der Blatt- und Spelzenbräune an Weizen
(Faris et al., 2010). Ebenfalls von Bedeutung
ist die Tatsache, dass die Anfälligkeit gegen
Pflanzenkrankheiten und ihre genetischen
Ursachen viel weniger verstanden sind als die
Resistenz. Im humanmedizinischen Bereich
hingegen ist eine genetische Disposition für
Infektionskrankheiten weitgehend akzeptiert.
Das impliziert, dass hier verborgene Schätze zu
bergen sein könnten. Deren Bergung könnte in
Zukunft zusätzlich über Assoziationsstudien mit
Hochdurchsatzsequenzierungen wesentlich
vereinfacht werden.
Die Interaktion der Gerste, Hordeum vulgare,
mit dem Echten Gerstenmehltaupilz, Blumeria
graminis f. sp. hordei (Abb. 2), ist ein viel untersuchtes
Modellsystem zum Verständnis der
genetischen und zellulären Krankheitsresistenz
(Schulze-Lefert und Vogel, 2000; Hückelhoven
und Panstruga, 2011). Der Lehrstuhl für Phytopathologie
beschäftigt sich in Weihenstephan
seit 5 Jahren mit diesem Modell. Bei dieser Zeit
ist es gelungen verschiedene Faktoren der Anfälligkeit
der Gerste gegen Echten Gerstenmehltau
zu identifizieren. Es konnte unter anderem
gezeigt werden, dass Regulatoren des
fermentativen Stoffwechsels (Alkohol Dehydrogenase
1) des programmierten Zelltods (BAX
Inhibitor-1) und des Zytoskeletts (RHO-ähnliche
GTPase RACB) der Pflanze vom Schadpilz ausgenutzt
werden, um die Gerste erfolgreich zu
infizieren (Hückelhoven et al., akzeptiert zur
Veröffentlichung). Mit molekulargenetischen
Werkzeugen ist es gelungen, die Expression
dieser Anfälligkeitsfaktoren so zu verringern,
dass die Pathogenese stark eingeschränkt war.
Studien zur physiologischen Funktion der Anfälligkeitsfaktoren
unterstützen die Sichtweise,
dass das biotrophe Pathogen die Anfälligkeitsfaktoren
nutzt, um den Abwehr-assoziierten
Zelltod der Pflanzen zu unterdrücken (Babaeizad
et al., 2009; Eichmann et al., 2010) und um
die Pflanze physiologisch umzuprogrammieren,
so dass sie dem Pilz Kohlenhydrate zu Verfügung
stellt (Pathuri et al., 2011). Darüber hinaus
zeigen die Arbeiten, dass der Anfälligkeitsfaktor
RACB polares Zellwachstum und Oberflächenvergrößerung
von Zellen steuert. Der Schadpilz
scheint diese Eigenschaft für sich zu nutzen,
wenn er in lebende Zellen der Pflanze eindringt,
um dort sein Ernährungsorgan, das Haustorium
(Abb. 2), zu etablieren (Hoefle et al., 2011).
A
B
Haustorium
Abb. 2: A. Symptome des Echten Gerstenmehltaus
auf der Gerste. B. Lichtmikroskopische Aufnahme
des Echten Gerstenmehltaupilzes (blau) auf der
Epidermis der Gerste. Das Ernährungsorgan des
Pilzes (Haustorium) ist die einzige Struktur des Pilzes,
die in die Pflanzenzelle eindringt.
Die vergrößerte Membranoberfläche erlaubt
dem Pilz das Einstülpen der Zelle und etabliert
eine große Kontaktfläche zur Wirtspflanze, über
die Nährstoffe aus der Pflanze akquiriert werden
und Virulenzfaktoren an die Pflanzen abgegeben
werden können. Die Arbeiten zeigen,
dass sich Krankheiten nicht nur durch den Verlust
oder die pathogene Unterdrückung von
Immunität etabliert. Vielmehr sind in der Interaktion
mit Pilzen, die komplexe Infektionsstrukturen
in lebenden Pflanzen etablieren, Wirtskomponenten
notwendig, um die Pathogenese
aktiv zu unterstützen. Ob diese Unterstützung
unter direkter Kontrolle des Pathogens als
feindliche Übernahme stattfindet oder der Pilz
eine physiologische Nische nutzt, die ihm ein
pflanzeneigenes Programm zur Verfügung stellt,
II. Schwerpunktthemen 22

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sobald er die Zellwand der Pflanze überwindet,
ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.
Wie nutzt man nun die neue Erkenntnis für die
Möglichkeiten der modernen Pflanzenzüchtung.
Eine Möglichkeit ist, die Aktivität der Anfälligkeitsgene
zu limitieren (Eichmann und Hückelhoven,
2011). Das kann zum Beispiel über biotechnologische
Werkzeuge erreicht werden.
Dabei exprimiert man in der Pflanze eine Doppelstrang
Ribonukleinsäure (RNS), die auf einem
Strang eine zur Boten RNS des Anfälligkeitsgens
komplementäre Sequenz trägt. Dadurch
wird in der Pflanze über posttranskriptionelles
Gen Silencing der Abbau der
Boten RNS des Anfälligkeitsgens induziert und
das Merkmal Anfälligkeit kommt nicht zur Ausprägung
(Eichmann et al., 2010; Hoefle et al.,
2011). Dieser Ansatz ist nur über transgene
Kulturpflanzen zu realisieren, die in Mitteleuropa
zurzeit auf wenig gesellschaftliche Akzeptanz
treffen. Eine aufwendigere Alternative ist die
Suche nach natürlichen oder induzierten Allelen
des Anfälligkeitsgens, die weniger oder nicht
aktiv sind. Dazu kann man etwa über Sequenzierung
oder Genexpressionsstudien den Genpool
der Kultur- und Wildgersten durchsuchen,
um natürliche Mutationen der Anfälligkeitsgene
oder ihrer Regulatoren zu finden, die die Pflanze
für die Pathogene weniger angreifbar machen.
Auch eine durch artifizielle Mutagenese induzierte
Vielfalt kann mit einer gezielten Suche
nach Genvarianten kombiniert werden (das
Verfahren nennt sich Tilling), um ggf. direkt in
züchterischem Elitematerial Anfälligkeit auszuschalten.
Alternativ zur direkten Adressierung des Anfälligkeitsgens
existiert die Möglichkeit, seine
Funktion indirekt zu hemmen. Das ist insbesondere
dann von Bedeutung, wenn das Silencing
oder die Mutation des Anfälligkeitsgens
pleiotrope Effekte bewirkt, die sich zum Beispiel
negativ auf den Ertrag der Pflanze auswirken. In
solch einem Fall ist es notwendig, die Funktion
des Anfälligkeitsfaktors mechanistisch exakt zu
verstehen, um sein funktionelles Umfeld als
neue Ressource für die Resistenzzüchtung zu
gewinnen. Hier ist wieder die Grundlagenforschung
gefordert (siehe auch Sonderforschungsbereich
SFB924 „Molecular mechanisms
regulating yield and yield stability in
plants“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft
am WZW; http://sfb924.wzw.tum.de/).
Sie identifiziert über genetische oder biochemische
Screenings weitere Faktoren, die mit dem
Anfälligkeitsfaktor in Interaktion treten. So wurden
zum Beispiel für den Anfälligkeitsfaktor
RACB über biochemische Protein-Protein-
Interaktionsversuche mehrere Proteine gefunden,
die in der Pflanze direkt mit RACB in Kontakt
treten und seine Funktion beeinflussen
(Schultheiss et al., 2008; Hoefle et al., 2011).
Unter diesen finden sich Kooperationspartner
von RACB, also weitere Anfälligkeitsfaktoren,
aber auch antagonistische Proteine, die die
Funktion von RACB negativ kontrollieren. Eines
dieser antagonistischen Proteine ist eine cytoplasmatische
Kinase, die das Mikrotubuli-
Zytoskelett der Gerste stabilisiert (nicht publizierte
Daten). Das zweite antagonistische Protein
(MAGAP1; MICROTUBULE ASSOCIATED
GTPase ACTIVATING PROTEIN 1) fördert zunächst
die enzymatische Funktion von RACB,
überführt den Anfälligkeitsfaktor dabei aber in
einen inaktiven Zustand. Interessanterweise
sitzt MAGAP1 in resistenten Zellen auf den
Mikrotubuli, einem Teil des Zytoskeletts, der
wichtig für die Abwehrreaktionen an der Zellwand
ist (Abb. 3).
Abb. 3: Das Protein MAGAP1, ein molekularer Gegenspieler
des Anfälligkeitsfaktors RACB, besetzt
das Zytoskelett der Gerste (grün-blau). In rot sieht
man den Zellkern nahe des Ortes, wo ein Mehltaupilz
einzudringen versucht (Stern).
MAGAP1 wandert aber an die Plasmamembran
wenn RACB dort (vermutlich vom Pilz) aktiviert
wird. Genetische Beweise unterstützen, dass so
eine negative Kontrolle von RACB entsteht, die
die Anfälligkeit einschränkt und ausgenutzt
werden könnte, um weniger anfällige Pflanzen
zu erhalten (Hoefle et al., 2011). Dieses Wissen
kann die Züchtung oder Biotechnologie wiederum
nutzen, um genetische Varianten zu finden
oder zu designen, in denen MAGAP1 die natürliche
Immunität der Gerste verstärkt fördert.
Parallel durchgeführte Arbeiten in Dikotylen
II. Schwerpunktthemen 23

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Modellpflanzen zeigen außerdem, dass diese
Mechanismen auch auf andere Pflanzen übertragbar
sein könnten (Pathuri et al., 2009; Huesmann
et al., 2011). Insgesamt zeigen die grundlegenden
Arbeiten, dass die Anfälligkeit gegen
Pflanzenkrankheiten nicht nur das Versagen der
Immunität widerspiegelt, sondern spezifische
Komponenten der Pflanze benötigt, die neue
Perspektiven für die molekulare Resistenzzüchtung
eröffnen.
Danksagung
Die erwähnten Arbeiten im Labor von Ralph Hückelhoven
werden von der TU München, von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft und dem Bundesministerium
für Bildung und Forschung unterstützt.
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