Anbau
Neue Ergebnisse aus der Forschung
Rizomania-Resistenzgen Rz2
Resistenzstabilität und Resistenzmechanismus
Neue Ergebnisse aus der Forschung
Rizomania-Resistenzgen Rz2
Resistenzstabilität und Resistenzmechanismus
Von Kristin Benjes mit Prof. Dr. Mark Varrelmann & PD Dr. Sebastian Liebe, Institut für Zuckerrübenforschung
Die Rizomania-Krankheit ist die bedeutendste Viruserkrankung im Zuckerrübenanbau. Die Krankheit tritt weltweit in fast allen Rübenanbaugebieten auf, kann aktuell aber durch die Resistenzgene Rz1 und Rz2 erfolgreich kontrolliert werden. Verursacht wird die Krankheit durch das beet necrotic yellow vein virus (BNYVV). Allerdings konnte sich das Virus in bestimmten Regionen bereits anpassen und so die Rz1-Resistenz überwinden.
Daher ist das zweite Resistenzgen Rz2 von großer Bedeutung. Aber kann Rz2 langfristig stabil bleiben? Und wie funktioniert die Resistenz im Detail?
Rizomania-resistente Sorten
Das Resistenzgen Rz1 wurde 1983 identifiziert und wird seitdem intensiv genutzt. Nur damit ist ein wirtschaftlicher Anbau in Befallsregionen möglich. Auch in Deutschland tragen alle zugelassenen Zuckerrübensorten standardmäßig Rz1. Allerdings wird seit 2005 Rz1-Resistenzbruch in verschiedensten Ländern wie zum Beispiel den USA, Frankreich, den Niederlanden, Deutschland, der Türkei und Japan beobachtet.
In Regionen mit Rz1-Resistenzbruch erlauben doppelt resistente Sorten (Rz1+Rz2) eine erfolgreiche Kontrolle. Der Schutz beruht hier vor allem auf Rz2. Durch die verstärkte Nutzung von Rz2 erhöht sich aber der Selektionsdruck auf das Virus, das sich langfristig auch an Rz2 anpassen und dieses ebenfalls überwinden könnte.
Rz2-Resistenzstabilität
Zunächst wurde überprüft, ob bereits eine Anpassung des Virus an Rz2 stattgefunden hat. Dafür wurden sogenannte Fangpflanzentests mit natürlich infizierten Böden aus Frankreich, den Niederlanden und Deutschland durchgeführt. Im Gewächshaus wurden in jedem der 16 Böden Pflanzen einer anfälligen, einer Rz1-resistenten und einer doppelt resistenten Sorte angebaut. Da sich das Virus sowie der Vektor im Boden befinden, können die Rüben so infiziert werden. Die Ergebnisse zeigen hohe Virusgehalte in der anfälligen und der Rz1-resistenten Sorte, allerdings keine oder kaum erhöhte Virusgehalte in der doppelt resistenten Sorte (Abbildung 1). Während also Rz1-Resistenzbruch nachgewiesen werden konnte, ergaben sich keine Hinweise auf Rz2-Resistenzbruch und die doppelt resistente Sorte konnte in allen getesteten Böden ausreichend Schutz bieten.
Die Ergebnisse wurden zusätzlich mithilfe molekularer Methoden auf Sequenzebene überprüft. In einzelnen Proben der doppelt resistenten Sorte mit leicht erhöhten Virusgehalten wies die virale Population vermehrt Mutationen auf, allerdings konnte keine dieser mit einer reduzierten Resistenz in Verbindung gebracht werden. Bisher existieren aus keiner Anbauregion bestätigte Berichte über einen Rz2-Resistenzbruch. Monogene Resistenzen gelten jedoch in der Regel nicht als langfristig stabil. Ebenso unterstreicht die Geschichte von Rz1 die Möglichkeit eines Resistenzbruchs. Daher ist das weitere Monitoring der Rz2-Resistenzstabilität von Bedeutung, um zu überprüfen, ob und wann es zu einem Rz2-Resistenzbruch kommt oder ob Rz2 weiterhin stabil bleiben kann.
Infektiöser BNYVV-Klon
Zuckerrübenpflanzen können auch mithilfe eines infektiösen Klons durch Agrobakterien-vermittelte Expression mit dem BNYVV infiziert werden (Laufer et al., 2018) (Abbildung 2). Dieser erlaubt den gezielten Einbau von Mutationen. So kann untersucht werden, ob bestimmte Mutationen resistenzbrechende Eigenschaften haben und wie das Virus selbst durch jene beeinflusst wird. Auf diese Art wurden die natürlich auftretenden Mutationen aus dem Fangpflanzentest geprüft, die jedoch keinen Effekt hatten.
Ebenso ist es möglich, artifiziell gewählte Mutationen zu testen. Tatsächlich konnten Mutationen identifiziert werden, die die Erkennung durch Rz2 verhindern. Im infektiösen Klon führten diese jedoch gleichzeitig zu einem kompletten Funktionsverlust für das Virus, sodass dieses sich nicht mehr in der Pflanze ausbreiten konnte. Solche negativen Effekte von Mutationen auf die Proteinfunktion werden sehr häufig beobachtet. Das BNYVV muss also versuchen, sich so anzupassen, dass es die Erkennung durch Rz2 umgehen kann, ohne dadurch entscheidende Funktionen wie Vermehrung und Ausbreitung zu verlieren.
Resistenzmechanismus
Ein zentraler Bestandteil der pflanzlichen Immunität sind Resistenzproteine, die eindringende Pathogene erkennen und Abwehrmechanismen in Gang setzen. Das von Rz2 codierte Protein wurde als ein typisches, in-trazelluläres Resistenzprotein identifiziert (Capistrano-Gossmann et al., 2017). Ein einzelnes, spezifisches Protein des BNYVV reicht aus, um Rz2 zu aktivieren und die Abwehrreaktion auszulösen. Es wurde gezeigt, dass es sich bei diesem spezifischen Protein um das virale Protein triple gene block I (TGB1) handelt (Wetzel et al., 2021).
Die Abwehrreaktion erfolgt in Form einer hypersensitiven Reaktion (HR) mit lokalem Zelltod. Der Zelltod wird von der Pflanze selbst ausgelöst, um die Ausbreitung des Pathogens zu verhindern. Da Rz2 vor allem in der Rübenwurzel gebildet wird und damit die Untersuchungen erschwert, wurden die Experimente in der Modellpflanze Nicotiana benthamiana durchgeführt. Um den zugrundeliegenden Resistenzmechanismus besser zu verstehen, wurde untersucht, wo und wie die Erkennung in der Zelle abläuft. Mittels fluoreszenter Markierung konnte festgestellt werden, dass sich TGB1 und Rz2 im Zellkern und Cytoplasma befinden (Abbildung 3). Über intrazelluläre Resistenzproteine ist bekannt, dass die Erkennung des Pathogenproteins entweder direkt oder über einen zusätzlichen Interaktionspartner erfolgen kann. Zunächst wurde auf eine direkte Interaktion getestet, die jedoch nicht nachgewiesen werden konnte. Um den potenziellen zusätzlichen Interaktionspartner zu identifizieren, wurde die Methode „proximity labeling“ etabliert. Hier werden in der lebenden Pflanzenzelle alle Proteine markiert, die sich in der Nähe von TGB1 aufhalten und anschließend identifiziert. Diese Kandidaten werden nun auf tatsächliche Interaktion mit TGB1 und Rz2 überprüft.
Abb. 3: Das Resistenzprotein Rz2 befindet sich in der Zelle im Cytoplasma und im Zellkern. FOTO: Institut für Zuckerrübenforschung gGmbH (IfZ)
Kristin Benjes mit Prof. Dr. Mark Varrelmann & PD Dr. Sebastian Liebe Institut für Zuckerrübenforschung
RIZOMANIA
- Pathogen: Beet necrotic yellow vein virus (BNYVV)
- Übertragung: Polymyxa betae (bodenbürtig)
- Symptome: verkleinerter Rübenkörper, stark vermehrte Seitenwurzelbildung (Wurzelbart); Blattsymptome wie Aufhellungen, seltener gelbe oder nekrotische Flecken entlang der Blattadern
- Kontrolle: Resistenzgene Rz1 und Rz2
- Rz1: Identifizierung 1983, weltweite Verwendung, Rz1-Resistenzbruch in USA, Frankreich, den Niederlanden, Deutschland, etc.
- Rz2: Identifizierung 1997,Verwendung in Rz1+Rz2-resistenten Sorte, kein bestätigter Rz2-Resistenzbruch
FAZIT
Das Resistenzgen Rz2 scheint aktuell stabil zu sein und erlaubt eine erfolgreiche Kontrolle der Rizomania-Krankheit auch in Regionen, wo bereits Rz1-Resistenzbruch auftritt. Unklar bleibt, ob diese monogene Resistenz langfristig stabil bleiben kann, vor allem bei steigendem Selektionsdruck durch den zunehmenden Einsatz doppelt resistenter Sorten. Fangpflanzentests kombiniert mit molekularen Methoden erlauben die Überprüfung von auffälligen Viruspopulationen in Bodenproben auf tatsächlichen Rz2-Resistenzbruch. Zusätzlich konnte im Projekt das Verständnis des zugrundeliegenden Resistenzmechanismus erheblich verbessert werden.
Das Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Projektnummer: 519632024.