Befall durch die Kraut- und Knollenfäule

Kraut- und Knollenfäule bei Kartoffeln –
Wettlauf mit einem Erreger

Phytophthora infestans, der Erreger der Kraut- und Knollenfäule hält weltweit Landwirte, Pflanzenzüchter und -forscher in Atem. Der extrem anpassungsfähige kleine Algenpilz begegnet neuen resistenteren Kartoffelsorten mit neuen Erregertypen, die die Resistenz immer wieder durchbrechen. Ein Wettlauf zwischen Pflanzenabwehr und Erreger, den Wissenschaftler aus Wageningen nun mit Hilfe der Gentechnik gewinnen wollen. Sie haben Kartoffeln entwickelt, in die Resistenzgene aus Wildkartoffeln eingeschleust wurden. Das Besondere: Die Kartoffeln enthalten nur Erbmaterial aus Kartoffeln.

Kraut- und Knollenfäule unter dem Mikroskop

Phytophthora infestans, der Erreger der Kraut- und Knollenfäule unter dem Mikroskop

Foto: MPIPZ Köln

Blattbefall durch die Kraut- und Knollenfäule

Erste Symptome der Kraut- und Knollenfäule zeigen sich an Stängeln und Blättern. Es bilden sich zunächst grau-grüne, später braune Flecken, an der Unterseite der Blätter ein weißer Pilzrasen. Es werden Pilzsporen freigesetzt, die mit Hilfe eines Keimschlauches in das Pflanzengewebe eindringen.

Foto: i-bio

Barnase Schema

Pilzentwicklung in einer anfälligen Pflanze (links) und einer resistenten Pflanze (rechts). Links kann Phytophthora ungehindert durch das Blattgewebe wachsen, rechts wird er durch eine Barriere abgestorbener Pflanzenzellen aufgehalten.

Grafik: MPIPZ Köln

Wettlauf zwischen Pflanze und Erreger

Resistente Kartoffeln besitzen einen natürlichen Abwehr- mechanismus gegen Phytophthora. Sie bilden in einer so genannten hypersensitiven Reaktion rund um den Infektionsherd einen Schutzwall aus abgestorbenen Pflanzenzellen, der den Pilz daran hindert weiter vorzudringen. Die Resistenz kann aber sehr schnell durch neue Erreger-Typen wieder durchbrochen werden. Dabei gibt es einen regelrechten Wettlauf zwischen den Virulenzgenen des Erregers und den Abwehrgenen der Kartoffel. Die Virulenzgene des Erregers bilden Proteine, die in die Pflanzenzelle eingeschleust werden und so in den Stoffwechsel eingreifen, dass die Pflanzenzelle den Erreger nicht mehr erkennt. Diese Interaktion zwischen Pflanzenzelle und Erreger ist äußerst komplex und noch längst nicht vollständig verstanden.

Titelfoto: i-bio

Der Phytophthora-Erreger ist weltweit der gefährlichste Feind der Kartoffel. Insbesondere bei feucht-warmer Witterung breitet sich der pilzähnliche Erreger rasend schnell aus und kann innerhalb kürzester Zeit großen Schaden anrichten. Er verbreitet sich vorwiegend in Windrichtung oder wird bei Regen in den Boden gespült und befällt dort auch die Knollen. Phytophthora kann in den Knollen überwintern und eine einzige infizierte Knolle, die im Frühjahr ausgebracht wird, kann eine Epidemie im Kartoffelbestand hervorrufen.

Wenn der Befall früh in der Vegetationsperiode beginnt, kann es zu Ertragseinbußen von 80 Prozent und mehr kommen. Die Kraut- und Knollenfäule wird im konventionellen Anbau mit chemischen Pflanzenschutzmitteln (Fungiziden) kontrolliert. Sie müssen bei starkem Befall einmal pro Woche, das heißt, zehn bis 16 Mal pro Anbausaison ausgebracht werden. Die geschätzten Kosten liegen zwischen zehn und zwanzig Prozent der Gesamtkosten. In Europa werden auf sechs Millionen Hektar Kartoffeln angebaut, die geschätzten jährlichen Verluste durch Phytophthora liegen bei etwa einer Milliarde Euro.

In der konventionellen Züchtung ist vielfach versucht worden, durch Kreuzung mit resistenten Wildkartoffeln eine Resistenz gegen die Kraut- und Knollenfäule zu erreichen. Die wichtigste Quelle hierfür war die Wildkartoffel Solanum Demissum.

Da die Kartoffel komplexe Vererbungsmuster hat, kann es fünfzig Jahre dauern, Gene aus Wildkartoffeln in eine Sorte einzuführen und die neuen Kartoffeln anschließend in ihren Anbaueigenschaften wieder zu verbessern. Die Ausgangssorte geht dabei in jedem Fall verloren.

Oftmals glaubten die Züchter, einen entscheidenden Schritt im Kampf gegen Phytophthora geschafft zu haben, aber wenn die neue Sorte einige Jahre in einem gewissen Ausmaß angebaut wurde, brach die Resistenz wieder zusammen. Der Algenpilz passte sich durch Mutationen an.

Da der Wettlauf gegen den Erreger aufgrund der langwierigen Züchtungsprozesse bislang immer verloren wurde, setzt man in Forschung und Züchtung derzeit weltweit auf einen neuen Resistenztyp, der von vielen Genen bedingt wird. Das Ziel ist nicht mehr ein absoluter Schutz vor Befall, sondern eine Art Grundresistenz der Pflanze, die die Vermehrung des Erregers dauerhaft verlangsamt und nicht so leicht von neu auftretenden Rassen durchbrochen werden kann.

Cisgene Kartoffel: Ein Weg zur dauerhaften Resistenz?

Um schneller und flexibler auf den Erreger reagieren zu können, arbeiten Wissenschaftler der Universität Wageningen in den Niederlanden seit mehreren Jahren an einem Ansatz, Resistenzgene aus Wildkartoffeln mit Hilfe der Gentechnik in vorhandene Sorten zu übertragen. Es könnten etwa 15 Jahre gespart werden – und die jeweilige Kartoffelsorte bliebe erhalten.

Da im Genpool von Kartoffeln Resistenzgene vorhanden sind, haben sich die Wageninger Wissenschaftler für einen so genannten cisgenen Ansatz entschieden. Das heißt, die gentechnisch veränderten Kartoffeln sollen nur kartoffeleigene Gene enthalten - im Unterschied zu transgenen Pflanzen, in die Gene anderer, nicht mit ihnen kreuzbarer Pflanzenarten oder sogar Gene aus anderen Organismen, etwa Bakterien, übertragen wurden. Es wird auch kein Markergen wie zum Beispiel ein Antibiotikaresistenz-Gen eingesetzt, um die erfolgreich transformierten Pflanzen zu erkennen. Als Marker dient allein die Resistenz gegen die Kraut- und Knollenfäule selber. Alle Pflanzen, die resistent zu sein scheinen, werden daraufhin untersucht, ob sie die übertragenen Resistenzgene auch wirklich enthalten.

Um eine frühzeitige Überwindung der Resistenz zu verhindern, sollen jeweils mehrere Resistenzgene – bis zu vier – aus verschiedenen Wildkartoffel-Arten übertragen werden. Dazu müssen die Wissenschaftler in einem ersten Schritt genügend Resistenzgene ausfindig machen und ihre Funktion in dem komplizierten Infektionsweg herausfinden.

Darüber hinaus wird angestrebt, ein Resistenzmanagement für den Anbau einzurichten. So soll es nicht nur verschiedene Kombinationen von Resistenzgenen in verschiedenen Sorten geben, auch der Anbau soll räumlich und zeitlich wechseln.

Erste Freisetzungen mit Phytophthora-resistenten Kartoffeln fanden 2008 statt. Die Kartoffeln enthielten zunächst nur ein Resistenzgen und zusätzlich auch noch ein Markergen. 2009 wurde ein erster Feldversuch mit Kartoffeln, die kombinierte R-Gene und kein Markergen mehr enthielten, in den Niederlanden gestartet. Es folgten weitere Freisetzungen in Belgien, ab 2012 auch in Irland. Erste Ergebnisse aus den Freisetzungen in den Niederlanden und Belgien (2011 und 2012) wurden 2015 veröffentlicht. Alle cisgenen Kartoffelvarianten mit einem oder mehreren Resistenzgenen waren widerstandsfähiger gegen Phytophthora als die zum Vergleich angebaute konventionelle Sorte Desirée. Pflanzen mit nur einem Resistenzgen waren anfälliger als solche mit mehreren kombinierten Resistenzgenen.

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