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Kieler Pflanzenzüchter identifizieren neuartiges Gen für die Züchtung resistenter Zuckerrübensorten

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) identifizierten das Hs4-Gen in einer Wildart der Zuckerrübe. Es ist die einzige Resistenzquelle für Zuckerrüben gegen den Befall durch parasitäre Fadenwürmer (Nematoden), die weltweit wichtigsten Schädlinge im Rübenanbau. Die Resultate bieten vielversprechende Perspektiven für die Züchtung neuer resistenter Sorten, so die Kieler Forscher. Ihre Forschungsarbeit wurde diese Woche in der internationalen Fachzeitschrift New Phytologist veröffentlicht.

Das Gen wurde in der Abteilung Pflanzenzüchtung an der Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen Fakultät der CAU unter der Leitung von Professor Christian Jung identifiziert, der auch Mitglied des Forschungsschwerpunkts Kiel Life Science (KLS) ist. „Die Klonierung des Hs4-Gens und seine anschließende Charakterisierung markieren das Ende einer mehr als 30 Jahre dauernden Arbeit. Sie war erst erfolgreich, nachdem neue Techniken wie next-generation-sequencing und CRISPR-Cas-Mutagenese in Kombination mit neuen Bioinformatik-Programmen in den vergangenen Jahren verfügbar wurden. Jetzt haben wir den wissenschaftlichen Durchbruch geschafft!“, freut sich Professor Christian Jung. Das Hs4-Gen biete neue Perspektiven für die Züchtung resistenter Sorten. Es wird erwartet, dass das Gen nicht nur in Zuckerrüben, sondern auch in anderen Kulturarten eine Funktion als Nematoden-Resistenzgen entwickelt.

Pflanzenparasitäre Nematoden verursachen weltweit enorme Schäden in Landwirtschaft und Gartenbau. Die wirtschaftlichen Verluste durch pflanzenparasitäre Nematoden werden laut einer Studie von 2008 auf etwa 157 Milliarden US-Dollar jährlich geschätzt. Die Behandlung mit Pflanzenschutzmitteln zur Abtötung der Fadenwürmer, sogenannte Nematiziden, ist nach wie vor weit verbreitet. Aufgrund ihrer Toxizität und ihres Überdauerns im Boden stellen sie jedoch ein Risiko für Mensch und Umwelt dar. Daher sei der Anbau resistenter Sorten eine umweltfreundliche Lösung zur Bekämpfung von Nematoden, so Jung.

„Die Identifizierung der Genomregion, in der das Gen liegt, war äußerst schwierig“, erklärt Christian Jung. Dazu hat das Kieler Team durch eine Behandlung mit Gamma-Strahlen Mutanten erzeugt, in denen Teile eines Chromosoms fehlten. So konnte die Region stark eingeengt und ein Kandidatengen gefunden werden. Das Ausschalten des Kandidatengens in resistenten Rüben führte zu einer Anfälligkeit für Nematoden. Eine starke Expression des Gens hingegen überführte eine anfällige Pflanze in eine resistente. Das Gen enthält genetische Informationen für eine Protease. Diese gehört zu einer Klasse von Enzymen, die in der Zelle andere Proteine zum Beispiel nach Befall mit einem Pathogen abbauen. Die Funktion der hier identifizierten Protease als Resistenzfaktor war bisher unbekannt.

Originalpublikation:

Kumar, A. Harloff H, Melzer S, Leineweber J, Defant B, Jung C (2021) A rhomboid-like protease gene from an interspecies translocation confers resistance to cyst nematodes. New Phytologist. Early online publication. https://doi.org/10.1111/nph.17394

Das Foto zeigt reifende Weibchen (weiß) und reife Zysten (braun) an Zuckerrübenwurzeln.
© Dr. Avneesh Kumar, Uni Kiel

Der Rübenzystennematode ist der wichtigste Schädling in der Zuckerrübenproduktion. Das Foto zeigt reifende Weibchen (weiß) und reife Zysten (braun) an Zuckerrübenwurzeln.

Zuckerrüben-Wurzeln
© Dr. Avneesh Kumar, Uni Kiel

Gentechnisch veränderte Zuckerrüben-Wurzeln, in denen das Hs4 Gen mittels CRISPR-Cas Mutagenese ausgeschaltet wurde. Die Wurzeln besitzen zusätzlich das Gen für das Grün-Fluoreszierende Protein (GFP) aus Quallen, um sie von nicht-transgenen Wurzeln unterscheiden zu können.

Wissenschaftlicher Kontakt:

Prof. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung
Abteilung Pflanzenzüchtung
0431/880-7364
c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

Pressekontakt:

Dr. Doreen Saggau
Öffentlichkeitsarbeit & wissenschaftliche Kommunikation, Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät