Entwicklung von Reissorten, die gegen einen bakteriellen Krankheitsausbruch in Afrika resistent sind
Das internationale Forschungskonsortium "Healthy Crops" unter Leitung von Professor Dr. Wolf B. Frommer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) entwickelt krankheitsresistente Reissorten. In der Fachzeitschrift eLife berichten die Autoren nun über die Entdeckung eines aktuellen bakteriellen Ausbruchs in Tansania - und beschreiben, wie sie eine afrikanische Reissorte so veränderten, dass sie gegen den Erreger resistent wurde.
Ein von der Bakterienkrankheit befallenes Reisfeld in Dakawa. Das Welken und Austrocknen der Blätter führt zu erheblichen Ertragseinbußen bei den kleinen Lebensmittelproduzenten.
Mohammed Mkuya, Rosemary Murori
Die Bakterienkrankheit des Reises, die durch das Bakterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (kurz: Xoo) verursacht wird, ist jedes Jahr für verheerende Ernteverluste bei Reisbauern verantwortlich. Sie bedroht vor allem die Existenzgrundlage von Kleinbauern in Asien und Afrika und ist verantwortlich für Unterernährung und Hungersnöte in den betroffenen Regionen.
Obwohl die Kraut- und Knollenfäule bisher nicht als große Bedrohung für die Reiserzeugung in Tansania angesehen wurde, wurden 2019 in der Region Morogoro im Osten Tansanias Felder entdeckt, die zum Teil schwere Schäden durch die Krankheit aufwiesen. Nachfolgende Erhebungen ergaben zudem, dass sich der Erreger inzwischen bereits in vielen Regionen Tansanias ausgebreitet hat. Angesichts der raschen Ausbreitung ist es nicht unwahrscheinlich, dass die Krankheit auch in die Nachbarländer eindringt. Um das von diesem Stamm genutzte Arsenal zu bestimmen, wurde das Genom des Erregers sequenziert. Die Analyse der Sequenzen ergab, dass sich die Bakterien von den einheimischen Populationen in Afrika unterscheiden und den Stämmen aus Asien sehr ähnlich sind. Ähnlich wie die asiatischen Stämme, aber anders als die afrikanischen, verfügen sie über ein Werkzeug, das ein allgemeines Reisresistenzgen namens iTAL blockiert, und sie besitzen einen besonderen Satz von Schlüsseln für die Speisekammer der Pflanzen. Die Injektion eines von diesen Bakterien entwickelten regulatorischen "Schlüssel"-Proteins in die Reiszellen schaltet die Produktion eines Zuckertransporters namens SWEET11a ein, der zur Freisetzung von Zucker in der Umgebung der Bakterien führt, der als Nahrung dienen kann und für die Vermehrung und Virulenz der Bakterien benötigt wird.
Laut Dr. Boris Szurek, der die an der Studie beteiligte Gruppe am französischen nationalen Forschungsinstitut für nachhaltige Entwicklung (IRD) leitet: "Bis 2019 wurden Stämme aus Asien nie in Afrika gefunden. Ebenso wurden afrikanische Stämme nicht in Asien gefunden, was darauf hindeutet, dass die Krankheit erst vor kurzem aus Asien nach Afrika eingeschleppt wurde und nun in Tansania Ertragsverluste verursacht."
Professor Dr. Wolf B. Frommer vom Institut für Molekularphysiologie der HHU, der das internationale Forschungskonsortium "Healthy Crops" leitet, erklärt: "Um die afrikanische Reiserzeugung vor der aufkommenden Bedrohung durch das krankheitserregende Bakterium zu schützen, haben wir mit neuen Züchtungsmethoden die Schlösser in der beliebten ostafrikanischen Elitesorte "Komboka" so ausgetauscht, dass der Schlüssel des Erregers die Vorratskammer nicht mehr öffnen kann und somit die Krankheit nicht auslöst. Die bearbeiteten Linien weisen eine Breitspektrumresistenz gegen alle bekannten asiatischen und afrikanischen Xoo-Stämme auf, einschließlich der kürzlich in Tansania entdeckten Stämme."
Co-Autor Professor Dr. Bing Yang von der University of Missouri in Columbia, USA, fügt hinzu: "Wir beabsichtigen, afrikanische Wissenschaftler mit diesen Entdeckungen zu unterstützen und neue Züchtungsmethoden einzusetzen, um lokal angepasste krankheitsresistente Reissorten zu entwickeln. Die Erkenntnisse können auch für die konventionelle Züchtung von Sorten genutzt werden, die gegen die sich schnell ausbreitenden Stämme resistent sind, und zwar in den Ländern, die noch keine Vorschriften für neue Züchtungsverfahren erlassen haben."
Hintergrund: Bakterienbrand bei Reis
Der Reisanbau ist für die Ernährungssicherheit, die regionale Entwicklung und die Armutsbekämpfung in vielen Ländern, insbesondere in Entwicklungsländern, von entscheidender Bedeutung. Weltweit sind derzeit rund 900 Millionen Menschen aus einkommensschwachen Haushalten als Erzeuger oder Verbraucher von der Reisproduktion abhängig. Reis ist das wichtigste Grundnahrungsmittel für mehr als vier Milliarden Menschen weltweit.
Die Kraut- und Knollenfäule ist eine verheerende Reiskrankheit, die vor allem in Afrika und Asien die Lebensgrundlage von kleinen, einkommensschwachen Lebensmittelproduzenten bedroht. In Indien zum Beispiel gehen jedes Jahr fast zehn Prozent der Ernten durch diese Krankheit verloren - und das trotz wirksamer Schutzmaßnahmen. Die neu entwickelten Reislinien könnten diese Ertragsverluste verhindern und so viele Millionen Menschen mit Reis versorgen, die sonst von einer Hungersnot bedroht wären.
Die Krankheit wird durch das Bakterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (kurz Xoo) verursacht. Während der Infektion schleust Xoo eine Reihe von Proteinen, so genannte TAL-Effektoren, in die Pflanzenzellen ein, die sich an das Wirtsgenom binden und die Expression von Pflanzengenen aktivieren, wodurch die Produktion von Saccharose-Transportern aus der SWEET-Familie gefördert wird. Sobald die SWEETs in die Plasmamembran integriert sind, scheiden die Zellen eine große Menge Zucker aus, von dem sich die Xoo-Bakterien ernähren. Dies wiederum führt zum Welken und Austrocknen der Blätter und schließlich zum Absterben der Reispflanzen.
Projekt "Gesunde Kulturpflanzen"
Zur Bekämpfung von Xoo werden häufig Pestizide eingesetzt, deren Wirksamkeit jedoch begrenzt ist und die die Bevölkerung Risiken aussetzen. Das internationale Non-Profit-Forschungsprojekt "Healthy Crops" verfolgt einen anderen Ansatz mit dem Ziel, Reislinien zu züchten und verfügbar zu machen, die gegen die Krankheit resistent sind. Dadurch sollen die Erträge der kleinen Lebensmittelproduzenten in Afrika und Asien erheblich gesteigert werden.
Das Projekt ist ein internationales Konsortium, an dem Wissenschaftler der HHU, der University of Florida und der University of Missouri in den USA, des Internationalen Zentrums für tropische Landwirtschaft in Kolumbien (CIAT), des französischen nationalen Forschungsinstituts für nachhaltige Entwicklung (IRD), des Internationalen Reisforschungsinstituts (IRRI) auf den Philippinen und in Kenia sowie zweier Institute des indischen Rates für Agrarforschung (ICAR) beteiligt sind. Das Projekt wird von Professor Wolf B. Frommer geleitet, der an der HHU angesiedelt ist; Dr. Marcel Buchholzer ist für die Koordination des Projekts in Düsseldorf verantwortlich.
Um seine Ziele zu erreichen, hat das Konsortium eine Strategie zur Bekämpfung der Kraut- und Knollenfäule entwickelt. Das Team hat bereits erfolgreich krankheitsresistente Reislinien gezüchtet. Darüber hinaus wurde eine Diagnostik-Toolbox entwickelt, die eine schnelle Diagnose von neu auftretenden pathogenen Bakterienstämmen ermöglicht.
Die HHU wird im Rahmen des Healthy-Crops-Projekts von der Bill & Melinda Gates Foundation unter der ID INV-008733 unterstützt.
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