Neuartige Schalter für besseren Pflanzenschutz

• Kölner Max-Planck-Forscher entwickeln „nebenwirkungsarme“ Genschalter 
•  Neue Möglichkeiten für die gezielte Abwehr von schädlichen Pilzen und Bakterien bei Nutzpflanzen

Forschern des Max-Planck-Instituts für Züchtungsforschung in Köln ist es gelungen, neue genetische Kontrollelemente (Promotoren) zu entwickeln, die Gene genau in jenen Gewebsbereichen aktivieren, in denen die Pflanze von Krankheitserregern befallen worden ist. Diese neuartigen Promotoren bestehen aus Kombinationen von kleinen definierten DNA-Elementen, die aus natürlichen Pflanzenpromotoren stammen. Dabei ist es der Gruppe um Imre Somssich und Paul Rushton aus der Abteilung von Paul Schulze-Lefert gelungen, hocheffiziente Promotoren zu synthetisieren, die unterschiedlich stark auf verschiedene Pflanzenschädlinge reagieren. Damit steht der modernen Pflanzenzüchtung ein ganzes Arsenal an Genschaltern zur Verfügung, um spezifische Abwehrreaktionen in Pflanzen auszulösen und sie damit letztendlich widerstandsfähiger gegen Krankheiten und Schädlinge zu machen (The Plant Cell, 19. April 2002).

Weltweit vernichten Pflanzenkrankheiten und Schadinsekten rund ein Drittel der gesamten Ernte. Um diesen Schaden zu begrenzen, werden bislang konventionelle Pflanzenschutzmittel, wie Fungizide oder Insektizide, eingesetzt. Darüber hinaus versucht man in der Pflanzenzüchtung mit Hilfe biotechnologischer Methoden, die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen gegenüber Schädlingen wie Pilzen, Bakterien oder Viren zu erhöhen. Dazu werden Gene in die Pflanzen eingeschleust, deren Produkte entweder für einen Fraßschädling giftig sind oder die die Abwehrreaktion der Pflanze steigern, beispielsweise indem sie eine Verdickung der Zellwände rund um die Infektionsstelle einleiten.

Dem eingebauten Gen wird immer auch ein genetisches Kontrollsegment, ein so genannter Promotor, vorgeschaltet. Die Nukleotidsequenz eines solchen Promotors umfasst in der Regel etwa tausend DNA-Basenpaare. Sie zeigt der RNA-Polymerase an, wo sie mit der Transkription, quasi dem Ablesen der Gensequenz, beginnen muss. Die bisher verwendeten Promotoren haben den Nachteil, dass das Gen natürlich in verschiedenen Pflanzengeweben aktiviert werden kann, also auch an Stellen, die gesund sind. Dies wiederum kann unter Umständen zu negativen Effekten hinsichtlich des Pflanzenwachstums und damit des Ertrags führen.

Ziel der Forscher vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung war es daher, einen Weg zu finden, um die Gen-Aktivität lokal auf die Angriffsstelle des Erregers zu begrenzen und so die pflanzliche Abwehr effektiver zu gestalten. Die Kölner Wissenschaftler konstruierten eine ganze Reihe von synthetischen Promotoren, die jeweils aus mehreren kleinen, genau definierten DNA-Elementen mit einer Länge von nur noch etwa 30 Basenpaaren bestehen. Wie die Forscher nun in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „The Plant Cell“ berichten, führen diese neuartigen Promotoren tatsächlich zu einer hohen lokalen Gen-Aktivität rund um die von Schadpilzen und Bakterien herbeigeführten Infektionsstellen. Besonders wichtig ist der Nachweis, dass die synthetischen Promotoren auch unterschiedlich stark auf verschiedene Angreifer reagieren.

Als Testsystem benutzten die Max-Planck-Forscher ein Gen für einen Farbstoff in Kombination mit dem jeweiligen synthetischen Promotor. Wird das eingeschleuste Gen in einer Pflanze aktiviert, so bildet es einen blauen Farbstoff. Die auf diese Weise veränderten Modell-Pflanzen – hierbei handelte es sich um die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana – wurden anschließend mit verschiedenen Schädlingen infiziert, u.a. dem echten Mehltaupilz sowie den Bakterienbrand auslösenden Bakterien. Für beide Erreger ist die Ackerschmalwand sehr anfällig, d.h. die Pflanze wird bei Befall nahezu vollständig vernichtet. In den Untersuchungen zeigten sich jedoch nur winzige lokale Blaufärbungen auf den Blättern. Dies war ein Nachweis dafür, dass das Farbstoff-Gen genau an den Stellen aktiv war, an denen der Schädling versuchte, in die Pflanze einzudringen.

Die DNA-Elemente, die die Kölner Forscher zur Synthese der neuartigen Promotoren verwendet haben, stammen ursprünglich von natürlichen Promotoren, die die Transkription bestimmter Abwehrgene bei Kartoffel- und Petersilie-Pflanzen einleiten. Auf Grund der Reihenfolge der DNA-Basen unterscheiden die Wissenschaftler zwischen so genannten W-, S- und D-Elementen, von denen sie in einem ersten Ansatz jeweils Elemente miteinander kombinierten. Diese „künstlichen“ Promotoren sind jedoch sehr leicht aktivierbar und können auch durch andere Faktoren, wie beispielsweise eine mechanische Verletzung, geschaltet werden. In einem zweiten Versuchsansatz verringerten die Kölner Biologen die Zahl der DNA-Elemente und kombinierten sie auch untereinander: Als am besten geeignete Promotoren erwiesen sich jene, die aus nur zwei W-, zwei S- sowie zwei D-Elementen zusammengestellt worden waren.

Die Ergebnisse liefern darüber hinaus auch neue Einblicke in den pflanzlichen Signalprozess während einer Abwehrreaktion. Danach kann der gleiche Genschalter sowohl Wundreaktionen wie auch Abwehrreaktionen auf Schädlinge einleiten, wobei schon der Austausch eines einzigen DNA-Basenpaars zu einer deutlich veränderten Aktivität führen kann. Neueste Untersuchungen der Max-Planck-Forscher deuten darauf hin, dass diese synthetischen Promotoren auch in Gerste- und Tabak-Pflanzen aktiv sind. Dies bestärkt die Kölner Arbeitsgruppe in der Annahme, dass sie als wirksames Mittel eingesetzt werden könnten, um Nutzpflanzen erfolgreich gegen Pflanzenkrankheiten zu schützen.

Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Imre Somssich und Dr. Paul Rushton
Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
Carl-von-Linné-Weg 10
50829 Köln
Tel: 0221-5062 310 oder 0221-5062 329, Fax: 0221-5062 313
E-Mail: rushton@mpiz-koeln.mpg.de, somssich@mpiz-koeln.mpg.de