Transgene pilzresistente Gerste - Auswirkungen auf pathogene und nützliche Pilze

Thema

Zwei gentechnisch veränderte Gerstenlinien werden hinsichtlich ihres Effekts auf parasitische und nützliche - in Symbiose mit der Pflanze lebende - Pilze untersucht. Eine der Linien bildet eine Chitinase , ein Protein , das die Auflösung der Hyphenwände von pathogenen Pilzen bewirkt. Die andere Linie bildet eine Glukanase , die den Abbau von Glukanen im Gerstenkorn bewirkt. Dadurch wird der Futterwert der Gerste für die Geflügelaufzucht erhöht bzw. ihre Braueigenschaften verbessert. Da Glukane auch Bestandteil der Hyphenwand von Pilzen sind, könnte diese Gerstenlinie als Nebeneffekt auch pilzresistente Eigenschaften besitzen.

Folgende Fragestellungen werden bearbeitet:

• Wie und in welchem Ausmaß werden transgene Pflanzen von schädlichen Pilzen befallen? Wird die Wechselwirkung zwischen Pflanze und nützlichen Pilzen im Freiland beeinflusst? (Projektpartner Universität Gießen)

• Wie wirkt sich die Bildung der rekombinanten Proteine auf die Expression anderer Gene und auf die Inhaltsstoffe und die Kornqualität aus? (Projektpartner Universität Erlangen)

Im Folgenden wird das Untersuchungsgebiet der Universität Gießen beschrieben.

Versuchsbeschreibung

Pflanzenmaterial

Als Pflanzenmaterial stehen zwei transgene Gerstenlinien und ihre nicht-transgenen Elternlinien zur Verfügung. Die transgenen Linien wurden von der Washington State University, USA, entwickelt und bereitgestellt. Dort wurde bereits das erhöhte Resistenzpotenzial der Pflanzen, welche die Chitinase enthalten, gegenüber dem wichtigen Schadpilz Rhizoctonia solani in Laborversuchen nachgewiesen. Der Krankheitserreger Rhizoctonia solani tritt heute gerade in Äckern mit pflugloser Bodenbearbeitung verstärkt auf. Pfluglose Bodenbearbeitung wird aber aus ökologischen Gründen (Vermeidung von Bodenerosion, Erhaltung der Bodenstruktur) nach guter landwirtschaftlicher Praxis empfohlen.

Verwendete Gene

• Chitinase. In die Pflanzen der ersten Gerstenlinie wurde ein Gen eingebaut, das für das Enzym Chitinase kodiert. Es wird in allen Pflanzenteilen gebildet. Chitinasen bewirken den gezielten Abbau von Chitin, dem wichtigsten Bestandteil pilzlicher Hyphenwände. Das Gen stammt aus einem weltweit (ubiquitär) vorkommenden nützlichen Bodenpilz (Trichoderma harzianum), welcher auf einer Reihe wirtschaftlich bedeutender pflanzenschädigender Pilze parasitiert.

• Glukanase. Pflanzen der zweiten Gerstenlinie bilden das Enzym Glukanase. Das Glukanase-Gen stammt aus einem Bodenbakterium (Bacillus amyloliquefaciens) und wurde in Gerste eingebracht, um die Futterqualität von Gerste für die Geflügelzucht zu verbessern. Sie erhöht die Verdaulichkeit der Gerste, die bislang als Tierfutter nur bedingt einsetzbar war.
  Das Transgen ist lediglich im Endosperm des Gerstenkorns (Nährgewebe im keimenden Samen) aktiv. Jedoch besteht die Möglichkeit, dass die Glukanase in den Boden gelangen könnte. Da das Enzym eventuell auch die Hyphenwände bestimmter Pilze durch den Abbau von Glukanen auflöst, könnte die Besiedlung der Wurzel durch nützliche wie schädliche Pilze gleichermaßen beeinflusst werden.

Gewächshaus und Freiland

Es werden Gewächshaus- und Freilandversuche durchgeführt. Zwei transgene Gerstenlinien und ihre nicht-transgenen Ausgangslinien (ca. 5000 Pflanzen) werden im Freiland ausgesät und untersucht.

Freiland. Für die Befallsstudien im Freiland wird eine Hälfte des Versuchsfeldes mit einem kommerziell erhältlichen Mykorrhizapilz behandelt. Dieser wird auf das Feld ausgebracht und in den Boden eingearbeitet. Sowohl die zwei transgenen Linien als auch die nicht-transgenen Ausgangslinien werden auf dieser Fläche ausgebracht. Auf der zweiten Versuchshälfte wird das gleiche Pflanzenmaterial ausgesät, jedoch wird kein Mykorrhizapilz ausgebracht.

Im Falle eines negativen Effekts auf nützliche Mykorrhiza-Pilze wird vermutet, dass die gentechnisch veränderten Pflanzen im Vergleich zu den nicht-transgenen Organismen mit geringerem Wachstum auf nährstoffarmen Böden reagieren. Neben der Wachstumsmessung wird auch die Wurzelbesiedlung der transgenen Linien mit Hilfe moderner Mikroskopieverfahren analysiert.

Mikroskopische Untersuchungen und molekulare Analyse der transgenen Gerstenlinien

Hierzu werden sowohl Feldpflanzen als auch Gewächshauspflanzen verwendet. Untersuchungen des Pilzbefalls von Wurzel, Blättern und Ähren sollen Aufschluss geben über die Wirkung der beiden Gene gegenüber nützlichen und parasitischen Pilzen. Dazu wird die Interaktion von Pilz und Pflanze unter dem Mikroskop untersucht. Pflanzliche Abwehrmechanismen gegen schädliche Pilze werden durch spezielle Färbetechniken sichtbar gemacht.

Ergebnisse

Studien zu Effekten auf parasitische und nützliche Pilze

Gewächshaus. Im ersten und zweiten Jahr wurde der Frage nachgegangen, ob die in den transgenen Gerstenlinien stabil gebildete Glukanase bzw. Chitinase einen Einfluss auf die Besiedlung durch Parasiten (Rhizoctonia solani bzw. Fusarium graminearum) bzw. auf nützliche Pilze (Glomus mosseae) unter definierten Umweltbedingungen des Gewächshauses haben.

Zur Bewertung des Einflusses der verschiedenen Pilzinfektionen wurden die Pflanzenhöhe, die Anzahl der Bestockungstriebe und der Ähren tragenden Halme zum Zeitpunkt des Ährenschiebens herangezogen.

Da der Projektpartner (AG Sonnewald) ebenfalls auf Samenmaterial aus diesen Versuchen zurückgreift, wurden die Pflanzen nur geringfügig infiziert, so dass lediglich moderate Symptome zu erwarten waren. In den Versuchen zeigten sich jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen transgenen und nicht-transgenen Pflanzen in Bezug auf die untersuchten Parameter.

Freiland. Erhebliche Teile der Freisetzungsfläche wurden im Jahr 2006 sowie in 2007 vor dem Ausreifen der Ähren zerstört. Aufgrund dieser Feldzerstörungen wurde die Befalls-Studie durch Mykorrihza-Pilze in beiden Jahren unter Gewächshausbedingungen an transgenen und nicht-transgenen Gerstenlinien wiederholt (siehe oben).

Die Untersuchungen zur Interaktion der transgenen Linien mit schädliche Pilzen, konnte aufgrund der Feldzerstörungen in beiden Versuchsjahren nicht durchgeführt werden. Ebenfalls erfolgte keine Quantifizierung des Kornertrags.

Die Laufzeit des Forschungsprojektes wurde bis zum März 2010 verlängert. Die Freilandversuche sollen unter Federführung des AgroBioTechnikums Groß Lüsewitz in Mecklenburg-Vorpommern fortgeführt werden.

Mikroskopische Untersuchungen und molekulare Analyse der transgenen Gerstenlinien

Im zweiten Jahr erfolgte eine detaillierte mikroskopische Analyse der Wurzelbesiedlung durch Glomus mosseae sowohl an Gewächshauspflanzen als auch an den noch zur Verfügung stehenden Pflanzen aus den Freilandversuchen. Es zeigte sich, dass die Hyphenbildung (Hyphen= pilzliche Zellfäden), die Besiedelung der Wurzelzelle und die Ausbildung von Nährzellen (Arbuskeln) in den transgenen Pflanzen im Vergleich zur nicht-transgenen Linie nicht beeinflusst wurden.

An diesem Probenmaterial wurde zusätzlich zur mikroskopischen Untersuchung eine molekulare Analyse mittels quantitativer PCR vorgenommen, mit der die Menge an Mykorrihza-Pilze in den Wurzeln genau quantifiziert werden konnte.

Transgene Linien sowie die Kontrollpflanzen zeigten unter Freiland- und unter Gewächshausbedingungen eine erfolgreiche Besiedelung mit Mykorrhizapilzen.

Laufende Experimente (Herbst 2007). In USA wurden in 2005-2007 durch Kreuzung homozygote transgene Gerstenlinien hergestellt, die gute ackerbauliche Eigenschaften (hohes Resistenzniveau, guter Ertrag, geringer Pestizidbedarf) zeigen und effektive Mengen des Enzyms Chitinase aus den Wurzeln ausscheiden.

Es soll nun untersucht werden, ob die Pflanzen unter Gewächshausbedingungen durch das Enzym Chitinase wie erwartet gegen Rhizoctonia-Wurzelfäule geschützt werden können ohne das gleichzeitig nützliche Pilze negativ beeinflusst werden.

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