Suche nach Stecknadel im Heuhaufen erfolgreich – Gen für Virusresistenz in Gerste isoliert

Gerste (Hordeum vulgare L.) ist weltweit eine der bedeutendsten Kulturarten. Insbesondere in Europa und Asien verursachen jedoch die Viren des Gelbmosaikviruskomplexes (Bymoviren) erhebliche Ertragsverluste von bis zu 50%, die aufgrund der Übertragung der Viren durch einen bodenbürtigen Pilz mit Pflanzenschutzmitteln nicht verhindert werden können.

Forschern um Dr. Nils Stein (Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, IPK) und Dr. Frank Ordon (Julius Kühn-Institut, JKI) ist es nun gelungen aus den ca. 5,1 Mrd. Basenpaaren des Gerstegenoms, welches damit deutlich größer ist als das Genom des Menschen (3 Mrd. Basenpaare), ein einzelnes Gen zu isolieren, welches für die Resistenz gegen diese Viren verantwortlich ist.

Gefördert durch das Bundesforschungsministerium (BMBF), gelang es den beteiligten Forschergruppen zu zeigen, dass natürlich auftretende Defekte (Deletionen, Basenaustausche) in dem Gen HvPDIL5-1, das für das Protein Disulfid Isomerase kodiert, für die Resistenz der Gerste gegenüber Barley yellow mosaic virus (BaYMV) und Barley mild mosaic virus (BaMMV) verantwortlich sind. Das Gen liegt auf dem vierten Gerste-Chromosom. Insgesamt besitzt Gerste sieben Chromosomen. Die Disulfid Isomerasen sind für die korrekte Faltung von Eiweißen verantwortlich und hoch konserviert im Pflanzen- und Tierreich. Möglicherweise stellen sie daher universelle Anfälligkeitsfaktoren für Virusinfektionen in unterschiedlichen Organismen dar – ihr Funktionsverlust bewirkt Resistenz, weil virale Eiweiße nicht mehr korrekt gefaltet, stabilisiert oder transportiert werden und das Virus seinen Entwicklungszyklus so nicht mehr vollenden kann.

Mit der Isolierung dieses Gens konnte somit ein neuer Resistenzmechanismus gegen pflanzenpathogene Viren identifiziert werden, der zukünftig eine zielgerichtete Züchtung auf Resistenz gegen Bymoviren in Gerste, aber u.U. auch in anderen Pflanze-Virus-Krankheitssystemen ermöglicht.

Einzelheiten zur Isolation dieses Gens wurden Anfang dieses Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), USA, veröffentlicht.

Hintergrundinfo zur Gelbmosaikvirose der Gerste und ihre Bedeutung in Deutschland:

Gerste ist mit insgesamt ca. 1,57 Mio ha Anbaufläche in 2013, von denen ca. 360.000 ha auf Sommergerste entfallen, die nach Weizen bedeutendste Getreideart in Deutschland. Während Sommergerste insbesondere als Rohstoff in der Brauerei genutzt wird, dient Wintergerste überwiegend als Futtermittel. Die Gelbmosaikvirose der Gerste, die durch verschiedene Stämme des Barley yellow mosaic virus (BaYMV) und des Barley mild mosaic virus (BaMMV) verursacht wird, wurde erstmals 1978 in Deutschland nachgewiesen. Seit dieser Zeit hat sie sich, bedingt durch eine ständige Ausweitung der Befallsflächen und aufgrund erheblicher Ertragsverluste, die durchaus im Bereich von 40-50% liegen können, zu einer der bedeutendsten Krankheiten der Wintergerste entwickelt. Neben deutlichen züchtungsbedingten Ertragssteigerungen über die vergangenen Jahrzehnte ist es der Gerstenzüchtung gelungen, Resistenz gegen die Gelbmosaikvirose in deutsche Sorten einzulagern, so dass heute der überwiegende Teil der zugelassenen Wintergerstesorten resistent ist. Dies erlaubt einen ökonomisch sinnvollen Wintergerstenanbau auf Befallsflächen, was auch der weiteren Einengung der Fruchtfolge entgegenwirkt. Gegenüber dieser Resistenz, welche auf Mutationen in dem auf Chromosom 3 der Gerste lokalisierten Gen Hv-eiF4E beruht, wie von der obengenannten Forschergruppe bereits 2005 gezeigt werden konnte, sind jedoch inzwischen virulente BaMMV und BaYMV aufgetreten, so dass in der Nutzung von HvPDIL5-1 bzw. in der markergestützten Kombination beider Gene, die an unterschiedlichen Stellen in den Entwicklungszyklus der Viren eingreifen, eine Option zu sehen ist, den Wintergerstenanbau in Deutschland langfristig zu sichern.

Ihre wissenschaftlichen Ansprechpartner:
Dr. Nils Stein
Abteilung Genbank / Leiter der Arbeitsgruppe Genomdiversität
Vorsitzender des International Barley Genome Sequencing Consortium (IBSC),
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung
Corrensstraße 3, 06466 Stadt Seeland/OT Gatersleben
Tel.: 039482-5522
E-Mail: stein(at)ipk-gatersleben.de
Dir. u. Prof. Prof. Dr. Frank Ordon
Julius Kühn-Institut (JKI)
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen
Leiter des Institutes für Resistenzforschung und Stresstoleranz
Erwin-Baur-Str. 27
06484 Quedlinburg
Tel.: 03946-47601
E-Mail: frank.ordon(at)jki.bund.de