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Weizen - Resistent gegen Mehltau durch Genome Editing

Mehltaubefall ist bei Weizen ein großes Problem. Es gibt bislang keine Weizensorten, die gegen den Erreger - einen Pilz - ausreichend gewappnet sind. Das liegt vor allem daran, dass Weizen ein sehr komplexes Genom hat. Die neuen Verfahren des Genome Editings eröffnen nun die Chance, Weizen durch gezielte Mutationen mit einer Resistenz auszustatten. Chinesischen Wissenschaftlern ist dies 2014 mithilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas bereits gelungen.

Weizen Mehltau

Mehltau ist bei Weizen eine weitverbreitete und gefährliche Erkrankung, die zu erheblichen Ertragseinbußen führen kann. Hohe Luftfeuchtigkeit bei warmen Temperaturen fördert den Befall.

Weizen Mehltau Anfälligkeit

Der Mehltaupilz siedelt zwischen den Pflanzenzellen und dringt in die Zellen ein, um an Nährstoffe zu kommen.

MLO-Resistenz bei Weizen

MLO-Resistenz. Wenn ein bestimmtes Oberflächenprotein (MLO) der Pflanzenzelle nicht gebildet wird, kann der Pilz nicht in die Zelle eindringen.

Fotos Mitte und unten: Universität Gießen

Mehltau ist eine weit verbreitete Pilzkrankheit, die auch Weizen und andere Getreidearten befällt. Der Erreger ist sehr anpassungsfähig und kann sich explosionsartig vermehren, so dass es zu Ertragsausfällen bis zu 30 Prozent kommen kann.

Mehltau wird vor allem mit Pflanzenschutzmitteln (Fungizide) bekämpft. Um den Einsatz solcher Mittel zu reduzieren, ist es schon lange ein wichtiges Ziel in Pflanzenforschung und -züchtung, Weizen widerstandsfähiger zu machen gegen diese Erkrankung.

Heute weiß man schon sehr viel darüber, wie der Pilz die Pflanze angreift. Er siedelt zwischen den Pflanzenzellen und zapft diese an, um an Nährstoffe zu kommen. Das macht er mit einer Art „Schlauch“, die er in die Zelle einführt. Um in die Pflanenzelle eindringen zu können, benötigt der Erreger ein bestimmtes Protein auf der Oberfläche der Zelle, welches er für seine Zwecke manipuliert: das MLO-Protein.

Schon in den 1930er Jahren fand man in Äthiopien Gerstepflanzen einer Landrasse, die gegen Mehltau eine natürliche Resistenz aufwiesen. Aber erst viel später entdeckte man den Grund dafür: Eine zufällige Mutation in dem Gen, das für die Bildung des MLO-Proteins verantwortlich ist. Durch diese Mutation wird die Information zur Bildung des MLO-Proteins nicht mehr richtig abgelesen und dem Pilz so die Grundlage für ein Eindringen in die Pflanzenzelle entzogen. 2004 konnten Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Züchtungsforschung in Köln gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich, Dänemark und England den natürlichen Resistenzmechanismus in Gerste entschlüsseln. Ein Stück des MLO-Gens wiederholt sich in mehreren Kopien neben dem eigentlichen MLO-Gen. Das Ablesen des Gens wird dadurch gestört.

Die natürlicherweise, dank der Mutation im MLO-Gen resistente Gerste wurde erfolgreich in europäische Kultursorten eingekreuzt. Heute besitzt über die Hälfte aller Gerstensorten diese Mutation im MLO-Gen. Das Erstaunliche: Die Resistenz funktioniert gegen alle Mehltau-Rassen und dauerhaft über viele Generationen hinweg, auch im landwirtschaftlichen Einsatz. Später fand man heraus, dass auch andere Pflanzenarten, die von Mehltau befallen werden können, dieses MLO-Protein besitzen – und damit auch den Schlüssel zu einer wirksamen Resistenz.

Weizen: Resistent durch dreifache Mutation

Weizen durch eine Mutation des MLO-Gens mit einer Resistenz gegen Mehltau auszustatten, ist allerdings schwierig. Denn Weizen hat ein sehr komplexes Genom, das etwa sechsmal so groß ist wie das des Menschen. Weizen ist hexaploid, d.h. er besitzt drei Genome und alle Gene liegen deshalb dreifach vor. Um zu erreichen, dass das MLO-Protein nicht mehr gebildet wird, müsste in allen drei MLO-Genen gleichzeitig eine Mutation erzeugt werden. Das ist mit klassischer Züchtung nicht oder nur über sehr lange Zeiträume möglich. Deshalb gibt es bis heute keine Weizensorten mit MLO-Resistenz.

Mit den neuen Methoden des Genome Editings, insbesondere der „Gen-Schere“ CRISPR/Cas stehen nun neue Werkzeuge zur Verfügung, mit denen zielgenau Mutationen im Genom durchgeführt werden können. Das eröffnet die Chance, auch bei Weizen eine wirksame, dauerhafte Resistenz gegen Mehltau zu erreichen. Denn mit der Gen-Schere ist es möglich, alle drei MLO-Gene gleichzeitig auszuschalten. Voraussetzung dabei ist, dass man die Stelle im Genom des Weizens, die eine Mutation erhalten soll, genau kennt. Das CRISPR-Werkzeug besteht dann im Wesentlichen aus einem Stück RNA (Guide-RNA), das die entsprechende Stelle im Genom finden soll und deshalb genau zur Zielsequenz passen muss, und einem daran gekoppelten Protein (Cas9), das den DNA-Strang an der gewünschten Stelle schneidet. Der DNA-Strang wird dann vom zelleigenen Reparaturmechanismus wieder zusammengefügt, dabei entstehen aber Fehler und das Gen kann nicht mehr richtig abgelesen werden.

Das CRISPR-Werkzeug wird derzeit noch mit klassischen gentechnischen Verfahren - in der Regel mit Hilfe von Agrobakterien - in die Pflanzenzelle eingebracht. Wenn es an gewünschter Stelle eine Mutation ausgelöst hat, wird es nicht mehr gebraucht und muss dann wieder entfernt werden. Das gelingt mit den Regeln der Vererbung: Wenn die editierten Weizenpflanzen nach der Selbstbefruchtung Körner ausbilden, enthält ein Viertel dieser Nachkommen zwar die gewünschte Mutation, aber das Werkzeug ist nicht mehr vorhanden.

2014 ist es chinesischen Wissenschaftlern von der Chinese Acadamy of Science erstmals gelungen, gegen Mehltau resistenten Weizen zu erzeugen, indem sie alle MLO-Gene mit CRISPR/Cas ausgeschaltet haben. In den USA werden diese „editierten“ Weizensorten bereits im Freiland getestet. Die dortigen Behörden haben offiziell bestätigt, dass sie nicht unter die Gentechnik-Vorschriften fallen.

Mit der Gen-Schere erzeugte Mutationen unterscheiden sich nicht von natürlichen Mutationen und sind deshalb in der Pflanze auch nicht mehr nachweisbar. Noch ist unklar, ob solche mit den neuen Verfahren „editierten“ Pflanzen in Europa in Zukunft rechtlich als GVO eingestuft werden. Mit einer Entscheidung darüber ist frühestens 2018 zu rechnen.

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