Genetic mapping in two independent durum wheat accessions PI 244061 and PI 209274 identified shared loci for leaf rust resistance on chromosome 6BS
Die Genkartierung zweier unabhängiger Durumweizen-Akzessionen ergab, dass die Resistenz gegen Schwarzrost in beiden durch ein einzelnes dominantes Gen kontrolliert wird, das innerhalb desselben 2,07 Mb großen Intervalls auf Chromosom 6BS lokalisiert ist, in dem RGA5- und WAK-Gene als potenzielle Kandidaten identifiziert wurden.
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Weizengehalt ist das Rückgrat der globalen Ernährungssicherheit und ernährt jeden Tag Milliarden von Menschen. Unter seinen vielen Sorten ist Hartdurumweizen die spezifische Art, die zur Herstellung von Pasta, Couscous und Semola verwendet wird. Wie alle Nutzpflanzen ist auch er ständigen Bedrohungen durch die Natur ausgesetzt, insbesondere durch Pilzkrankheiten, die Ernten vernichten können. Einer der beständigsten Feinde ist der Rost, ein Pilz, der die Blätter angreift, sie braun werden lässt und die Energie der Pflanze absaugt. Unkontrolliert lassen, kann diese Krankheit mehr als die Hälfte des potenziellen Ernteertrags zerstören. Seit Jahrzehnten verlassen sich Landwirte und Wissenschaftler auf die Züchtung von Weizensorten, die natürliche Resistenzgene in sich tragen, um sich zur Wehr zu setzen. Doch der Pilz ist clever; er entwickelt sich schnell weiter und bildet neue Stämme, die die Abwehrkräfte älterer Weizensorten umgehen können. Dieser ständige Wettrüsten bedeutet, dass Wissenschaftler ständig nach neuen Resistenzquellen in der Wildnis und in alten Landsorten suchen müssen, um dem Krankheitserreger einen Schritt voraus zu sein.
In einer kürzlich durchgeführten Studie wandten Forscher ihre Aufmerksamkeit auf zwei spezifische Weizenzugänge, bekannt als PI 244061 und PI 209274. Dies sind keine modernen Supermarktvarietäten, sondern genetische Schätze: Einer ist eine Landsorte aus dem Jemen und der andere eine Zuchtlinie aus Australien. Beide hatten in früheren Tests eine bemerkenswerte Fähigkeit gezeigt, gegen den Blattrost resistent zu sein. Das Ziel war es, den genauen Ort der für diese Resistenz verantwortlichen Gene innerhalb ihrer DNA zu finden und zu verstehen, wie sie funktionieren. Durch die Kreuzung dieser resistenten Pflanzen mit anfälligen kreuzten die Forscher die Nachkommen, um die genetischen Anweisungen zu bestimmen, die es dem Weizen ermöglichen, dem Pilzangriff zu überstehen.
Die Forscher begannen damit, tausende von Weizlingspflanzen in einer kontrollierten Gewächshausumgebung aufzuziehen. Sie kreuzten die resistenten Eltern mit anfälligen, um hybride Familien zu erzeugen, und inokulierten die jungen Pflanzen anschließend mit einem spezifischen, aggressiven Stamm des Blattrostpilzes. Während die Pflanzen wuchsen, beobachteten die Wissenschaftler genau, welche die Infektion abwehrten und welche daran zugrunde gingen. Die Ergebnisse waren eindeutig: Die Resistenz in beiden ursprünglichen Zugängen wurde durch ein einzelnes, dominantes Gen gesteuert. Das bedeutete, dass eine Pflanze geschützt war, wenn sie nur eine einzige Kopie dieses Gens von ihrem Elternteil erbte. Das Team nutzte dann eine leistungsstarke Technik namens „Bulked Segregant RNA Sequencing“. Sie nahmen die Blätter der resistentesten Pflanzen und der anfälligsten Pflanzen, mischten sie in zwei separate Gruppen und analysierten ihr genetisches Material. Durch den Vergleich der genetischen Unterschiede zwischen den „Überlebenden“ und den „Opfern“ konnten sie die Suche nach dem Resistenzgen eingrenzen.
Die Analyse deutete auf einen sehr spezifischen Ort auf dem Chromosom 6BS hin, einem markanten Segment des Weizengenoms. Sowohl in der jemenitischen Landsorte als auch in der australischen Zuchtlinie wurde das Resistenzgen im selben allgemeinen Bereich am Ende dieses Chromosoms gefunden. Um absolut sicher zu gehen, entwickelten die Forscher neue genetische Marker, die wie molekulare Wegweiser fungieren und das Gen über die Generationen hinweg verfolgen können. Sie testeten hunderte von einzelnen Pflanzen und fanden heraus, dass die Resistenz eng mit einem winzigen DNA-Abschnitt verknüpft war, der nur 2,07 Megabasen misst. Dies ist ein bemerkenswert kleines Ziel in der riesigen Landschaft eines Weizengenoms. Innerhalb dieses schmalen Streifens suchten die Forscher nach Genen, die für die Verteidigung verantwortlich sein könnten. Sie fanden mehrere Kandidaten, darunter Gene, die Proteine produzieren, die dafür bekannt sind, Pathogene zu erkennen und zu bekämpfen.
Einer der vielversprechendsten Kandidaten in der jemenitischen Landsorte war ein Gen, das ein Protein namens RGA5 produziert, welches als Sensor dient, um den Pilz zu detektieren. In der australischen Linie deuteten die Beweise auf einen anderen Typ von Gen hin, nämlich eines, das eine assoziierte Kinase der Zellwand produziert – ein Protein, das der Pflanze hilft, Schäden an ihren Zellwänden wahrzunehmen. Interessanterweise weisen beide Linien zwar an derselben Stelle des Chromosoms eine Resistenz auf, aber ihre genetischen Codes in diesem Bereich sind leicht unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass sie ihre Abwehrmechanismen unabhängig voneinander entwickelt haben könnten. Die Studie befasste sich auch mit einem früheren Befund, der ein Resistenzgen aus der jemenitischen Landsorte auf einem anderen Teil des Chromosoms verortet hatte. Die neuen, hochauflösenden Daten bestätigten, dass der frühere Standort nicht korrekt war und dass der wahre Abwehrmechanismus auf dem Chromosom 6BS liegt.
Diese Entdeckung liefert Weinzüchtern eine präzise Karte und die Werkzeuge, die sie benötigen, um diese starken Resistenzgene in moderne, ertragreiche Hartdurumweizensorten zu übertragen. Durch die Verwendung der in dieser Studie identifizierten genetischen Marker können Züchter schnell Keimlinge auswählen, die die Resistenz tragen, ohne warten zu müssen, bis die Pflanzen wachsen und der Krankheit im Feld begegnen. Die Tatsache, dass zwei nicht verwandte Weizenquellen, die geografisch und historisch getrennt sind, beide einen Abwehrmechanismus in derselben kleinen Region ihrer DNA besitzen, legt nahe, dass dieser Teil des Chromosoms ein natürlicher Hotspot für die Bekämpfung des Blattrosts ist. Während die genaue Identität des Gens noch weitere Laborarbeit erfordert, um sie zu bestätigen, ist der Weg nach vorn klar. Diese Erkenntnisse bieten eine robuste Grundlage für die Entwicklung neuer Weizensorten, die den sich entwickelnden Bedrohungen durch den Blattrost standhalten können, und helfen so, die Zukunft einer der wichtigsten Nahrungsmittelkulturen der Welt zu sichern.
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