Tomato genomic regions and candidate genes linked to responses to a resistance inducer against Phytophthora infestans

In der Welt der Landwirtschaft verlassen sich Landwirte schon seit langem auf chemische Spritzmittel, um Krankheiten daran zu hindern, ihre Ernten zu vernichten. Einer der beständigsten und schädlichsten Feinde ist ein mikroskopisch kleiner Organismus namens Phytophthora infestans, der die Kraut- und Knollenfäule verursacht. Dieser Erreger kann Tomatenernte und Kartoffelernte mit erschreckender Geschwindigkeit vernichten. Jahrzehntelang bestand die Lösung darin, Feuer mit Feuer zu bekämpfen, indem man synthetische Fungizide oder kupferbasierte Produkte einsetzte. Doch genau wie Bakterien lernen, gegen Antibiotika zu überleben, entwickeln sich diese Krankheitserreger schließlich zu den Chemikalien, die sie töten sollen, weiter. Dieses Wettrüsten hat Wissenschaftler dazu gezwungen, nach klügeren, nachhaltigeren Wegen zu suchen, um Pflanzen zu schützen. Anstatt den Erreger direkt zu vergiften, erforschen Forscher eine Strategie, die das eigene Immunsystem der Pflanze in einen Schutzschild verwandelt. Dieser Ansatz nutzt natürliche Substanzen, sogenannte Resistenzinduktoren, um die Abwehrkräfte der Pflanze „aufzuwecken“, noch bevor ein Angriff überhaupt stattfindet. Man kann es sich wie eine Impfung für eine Pflanze vorstellen, die sie darauf trainiert, Eindringlinge effektiver zu erkennen und abzuwehren. Dennoch bleibt ein großes Rätsel bestehen: Nicht alle Pflanzen reagieren gleichermaßen auf dieses Training. Einige Sorten scheinen den Boost perfekt aufzunehmen, während andere kaum reagieren, was Landwirte unsicher macht, welche Samen sie für den besten Schutz pflanzen sollen.

Ein Forschungsteam der INRAE in Frankreich machte es sich zur Aufgabe, dieses Rätsel zu lösen, indem es untersuchte, warum verschiedene Tomatenpflanzen so unterschiedlich auf eine spezifische natürliche Behandlung namens Belvine® reagieren. Dieses Produkt, das aus Hefe gewonnen wird, ist bereits für den Einsatz an Reben zur Bekämpfung von Mehltau zugelassen, aber sein Potenzial für Tomaten war weniger bekannt. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob die Variation in der Wirksamkeit der Behandlung einfach nur Pech war oder ob sie im genetischen Code der Pflanzen geschrieben stand. Um die Antwort zu finden, sammelten sie eine vielfältige Gruppe von 148 verschiedenen Tomatensorten, die von winzigen Kirschtomaten bis hin zu großen kommerziellen Typen reichte, und züchteten sie in Kunststofftunneln unter realen Bedingungen. Sie behandelten die Hälfte der Pflanzen mit Belvine® und ließen die andere Hälfte unbehandelt, und setzten dann alle Pflanzen dem Erreger der Kraut- und Knollenfäule aus. Durch die sorgfältige Messung, wie viel Krankheit auf jedem Blatt auftrat, konnten sie genau berechnen, wie viel Schutz die Behandlung für jede einzelne Sorte bot.

Die Ergebnisse bestätigten das, was die Landwirte vermuteten: Die Behandlung funktionierte, aber ihr Erfolg hing ganz von der spezifischen Tomatensorte ab. Im Durchschnitt reduzierte die Belvine®-Behandlung die Schwere der Krankheit um fast 90 Prozent, eine bemerkenswerte Verbesserung. Jedoch variierte das Niveau des Schutzes drastisch von einer Sorte zur anderen. Einige Tomaten waren nach der Behandlung völlig immun gegen die Krankheit und zeigten keinerlei Anzeichen einer Infektion, während andere nur teilweise geschützt waren. Diese breite Spanne an Ergebnissen deutete darauf hin, dass die Fähigkeit, auf die Behandlung zu reagieren, ein Merkmal ist, das über Generationen weitergegeben wird, ähnlich wie die Körpergröße oder die Fruchtfarbe. Um dies zu beweisen, berechneten die Forscher die Heritabilität (Erblichkeit) der Reaktion – ein Maß dafür, wie viel der Unterschied zwischen den Pflanzen auf ihre Gene und nicht auf die Umgebung zurückzuführen ist. Sie fanden heraus, dass die Genetik eine massive Rolle spielte und mehr als die Hälfte der Variation in der Effektivität des Schutzes erklärte. Dies war eine entscheidende Entdeckung, die bestätigte, dass Züchter potenziell nach Tomaten selektieren könnten, die von Natur aus besser in der Lage sind, diese natürlichen Abwehrkräfte zu nutzen.

Nachdem die genetische Basis bestätigt worden war, ging das Team zum nächsten Schritt über: der Suche nach den spezifischen Teilen des Tomatengenoms, die für diese Variation verantwortlich sind. Sie nutzten eine leistungsstarke Technik, die genomweite Assoziationsstudie (Genome-Wide Association Study), die das gesamte Genom der Pflanzen scannt, um nach winzigen Unterschieden zu suchen, die mit den Unterschieden im Krankheitsschutz übereinstimmen. Diese Suche enthüllte fünf deutliche Regionen auf den Tomatenchromosomen, die mit der Wirksamkeit der Behandlung verknüpft waren. Diese Regionen befanden sich auf den Chromosomen 2, 3, 4 und 12. Innerhalb dieser genetischen Nachbarschaftenten identifizierten die Forscher mehrere Kandidatengene, die wahrscheinlich die Reaktion der Pflanze steuern. Zu diesen Genen gehörten Anweisungen für die Herstellung von Proteinen, die als Sensoren fungieren, um Bedrohungen zu erkennen, Proteine, die helfen, Alarmsignale zu senden, sowie Enzyme, die physische Barrieren gegen den Erreger aufbauen. Interessanterweise waren einige dieser Gene dieselben, die die Behandlung bekanntlich aktiviert, wie etwa jene, die Enzyme produzieren, um Zellwände von Pilzen abzubauen, oder jene, die den oxidativen Stress regulieren.

Die Studie hob auch hervor, dass die Umgebung eine Rolle spielt. Während einige genetische Regionen unter allen Bedingungen wichtig waren, schienen andere in spezifischen Tunneln oder Jahreszeiten wichtiger zu sein, was darauf hindeutet, dass die beste genetische Übereinstimmung für einen Landwirt von seinem lokalen Klima abhängen könnte. Die Forscher fanden nicht nur die Standorte, sondern untersuchten auch die Funktion der Gene an diesen Stellen. Sie fanden heraus, dass die effektivsten Tomaten spezifische Versionen von Genen besaßen, die für Proteine wie Beta-1,3-Glucanasen und Glutathion-S-Transferasen kodieren. Dies sind genau die Werkzeuge, die die Pflanze einsetzt, um eine Infektion zu bekämpfen, sobald der Alarm ausgelöst wurde. Die Tatsache, dass die reaktionsstärksten Pflanzen über diese spezifischen genetischen Werkzeuge verfügten, legt nahe, dass Zuchtprogramme nun darauf ausgerichtet werden können, nach diesen Merkmalen zu selektieren. Anstatt zu raten, welche Tomatensorte am besten mit einem natürlichen Abwehrspray funktioniert, können Züchter nun nach den spezifischen genetischen Markern suchen, die eine starke Reaktion garantieren.

Diese Arbeit stellt das erste Mal dar, dass Wissenschaftler die genetischen Regionen kartiert haben, die bestimmen, wie gut eine Tomatenpflanze auf einen Resistenzinduktor reagiert. Vor diesem Zeitpunkt war die Vorstellung, dass die DNA einer Tomatenpflanze in der Lage sein könnte, die Reaktion auf eine natürliche Behandlung zu diktieren, weitgehend theoretisch. Jetzt, da diese spezifischen genetischen Ziele identifiziert wurden, ist der Weg für die Landwirtschaft klarer. Landwirte und Züchter können zusammenarbeiten, um neue Tomatensorten zu entwickeln, die nicht nur von sich aus resistent gegen Krankheiten sind, sondern auch bereit sind, bei einer natürlichen Unterstützung noch härter zu kämpfen. Dieser Ansatz bietet eine Möglichkeit, die Abhängigkeit von chemischen Fungiziden zu verringern und eine dauerhaftere sowie umweltfreundlichere Lösung für eines der ältesten und zerstörerischsten Probleme der Landwirtschaft zu bieten. Die Studie behauptet nicht, das Problem der Kraut- und Knollenfäule vollständig gelöst zu haben, aber sie hat die essenzielle Karte geliefert, die benötigt wird, um die nächste Generation widerstandsfähiger Nutzpflanzen zu züchten.