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Schnupperpraktikum 2017

Die mysteriöse Esca-Krankheit macht dem Weinbau zunehmend zu schaffen. Scheinbar kerngesunde Weinstöcke sterben binnen einer Woche urplötzlich ab. In Frankreich sind schon über 15% der Weinberge betroffen, man vermutet, dass der globale Klimawandel die Ausbreitung dieser Krankheit befördert. Man kennt die Leiche, aber nicht den Mörder. Eine Reihe von holzbesiedelnden Pilzen werden als dringend tatverdächtig bezeichnet. Einige unserer Wildreben scheinen gegen die Krankheit gefeit - im Rahmen des soeben begonnenen Projekts Vitifutur versuchen wir gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Christoph Bertsch in Colmar zu verstehen, wie sich diese Krankheit herausbildet und warum manche Wildreben immun sind. Dazu wurde ein "Black-N'Decker" Test entwickelt, wobei man Rebhölzer mit einer Bohrmaschine anbohrt und dann mit Kulturen des verdächtigten Pilzes inokuliert. Nach einer Woche werden die inokulierten Hölzer aufgeschnitten und das Profil untersucht - je weiter weg von der Bohrung, umso früher das Stadium der Infektion. Fast alles liegt hier noch im Dunkeln. Im Projekt geht es erst mal darum, die zellulären Vorgänge der Infektion zu beobachten und sichtbar zu machen. Dazu werden anfällige und resistente Genotypen vergleichend untersucht, um eine erste Arbeitshypothese zu entwickeln. Pionierarbeit, die in jedem Fall zu neuen Einblicken führen wird. Es muss nur irgendeiner mal anfangen!

NEU: DER DUFT DES TODES

In ihrer Doktorarbeit entdeckte Sahar Akaberi, dass das Enzym Hydroperoxylyase für die Aktivierung des programmierten Zelltods wichtig ist. Das Produkt dieses Enzyms, der Duftstoff cis-Hexenal, löst den gezielten Selbstmord aus. Dies ist eine Art Kamikaze-Strategie gegen Krankheitserreger aus, die sich darauf spezialisiert haben, die befallene Zelle in einen willlenlosen Zombie zu verwandeln. Wir arbeiten nun mit Dr. Oliver Trapp vom Julius-Kühn-Institut in Siebeldingen daran: über eine CRISPR-Cas Strategie dieses Gen auszuschalten, um so zu prüfen, wie sich das auf die Abwehr gegen Krankheiten auswirkt.

Biodiversität schützen und nutzen: Unser Wildrebenprojekt

Forschung_Stilbene
In unserer Wildrebensammlung haben wir Pflanzen entdeckt, die besonders schnell und stark Abwehrstoffe bilden und dadurch gegen Krankheiten resistent sind.
Vision
Unsere Vision: durch molekulare Züchtung die Abwehrkraft der Wildrebe in die anfällige Kulturrebe zurückbringen.

Worum geht es bei dieser Forschung?

Wir arbeiten für einen Nachhaltigen Weinbau auf evolutionsbiologischer Grundlage. Aus einem Artenschutzprojekt für die fast ausgestorbene Europäische Wildrebe (die Stammform unserer Kulturrebe) entstand unerwartet eine wertvolle genetische Resource, die nun für die Züchtung krankheitsresistenter Reben eingesetzt werden kann.

Wie ist die Idee entstanden?

Die Weinrebe ist sehr anfällig gegen Krankheitserreger, was großen Aufwand für den Pflanzenschutz mit sich bringt. Beispielsweise gehen etwa 70 % der Fungizidproduktion auf das Konto des Weinbaus. Die meisten dieser Erreger, wie etwa der Falsche Mehltau der Weinrebe (Plasmopara viticola) haben sich gemeinsam mit wilden Weinarten entwickelt, die offenbar gut mit diesem Erreger zurechtkommen. Die Evolution hat dieses Problem also schon gelöst. Können wir der Natur in die Trickkiste schauen? Wir haben dafür im Botanischen Garten eine umfangreiche Sammlung von Wildreben aus aller Welt etabliert und untersuchen nun, mit welchen Strategien sich diese oft sehr robusten Pflanzen gegen Krankheiten zur Wehr setzen und welche besonderen Genvarianten hierfür wichtig sind. Besonders wertvoll: unsere Sammlung der Europäischen Wildrebe, der Stammform unserer Kulturrebe. In dieser Sammlung sind alle genetischen Varianten, die es in Deutschland noch gibt, versammelt. Die Forschung an diesen Reben führte uns zu einigen überraschenden Geschichten:

Das Parfüm - Wie man Killeralgen betört

Die pflanzliche Immunität hat zwei Ebenen - eine evolutionär alte Grundimmunität und eine spezialisierte Immunität. Die spezialisierte Immunität ist wirksamer und hat sich aus einem langen evolutionären Wettrüsten zwischen Krankheitserreger und Wirtspflanze entwickelt. Die Krankheiten unserer in Europa entstandenen Kulturrebe wurden sämtlich Mitte des 19. Jahrhunderts nach Europa eingeschleppt. 150 Jahre sind für die Evolution eine kurze Zeit, zu kurz, um eine spezialisierte Immunität entwickeln zu können. Wir haben daher Wildreben aus aller Welt gesammelt und auf andere Formen von Immunität gegenüber dem Falschen Mehltau untersucht. Dieser Erreger ist eigentlich gar kein Pilz, sondern eine Art parasitisch lebender Killeralge, die in die Spaltöffnungen eindringt und dann, unbehelligt von Fungiziden, im Innern des befallenen Blattes wütet. Bei unserer Suche nach neuen Wegen gegen diesen Erreger wurden wir auch tatsächlich fündig: Wildreben aus Ostasien parfümieren sich zum Beispiel mit Nonanal, einem Duftstoff, der aus den Spaltöffnungen dringt und von den Zoosporen des Erregers als Signal genutzt werden, um die Spaltöffnungen zu finden und schnell ins Blatt einzudringen. Wenn dieser "Mundgeruch der Weinrebe" nun überall abgesondert wird, werden die Zoosporen verwirrt und können das Blatt nicht mehr richtig infizieren (Kurzbeitrag im Deutschlandfunk zu diese Thematik). Auch die fast ausgestorbenen Europäischen Wildrebe, der Stamm-Mutter unserer Weinrebe, setzt diese Strategie ein.

Neuer Genschalter für die Grundimmunität

In unserer Sammlung der Europäischen Wildrebe fanden wir einige Pflanzen die gegen Rebkrankheiten recht widerstandsfähig waren. Eine spezialisierte Immunität war unwahrscheinlich, da diese Krankheiten erst seit 150 Jahren in Europa vorkommen. Wir vermuteten daher, dass hier die Grundimmunität besser aktiviert wurde. Tatsächlich konnten wir zeigen, dass in diesen Reben die Bildung des Abwehrstoffs Resveratrol schneller und stärker angeschaltet wurde. Als wir dann unseren "Champion", eine Wildrebe mit dem Namen Hördt 29, mittels next generation sequencing untersuchten, fanden wir heraus, dass in dieser Rebe ein Genschalter namens MYB14 in seiner Steuersequenz (dem sogenannten Promotor) eine längere Region aufwies, die bei den Kulturreben fehlte. Das war sehr spannend, weil MYB14 an die Steuersequenz der Stilbensynthase bindet und diese aktiviert. Stilbensynthase ist aber das Enzym, das den Abwehrstoff Resveratrol bildet. Mithilfe eines etwas exotischen Experiments konnten wir dann beweisen, dass dieses Genstück aus der Wildrebe tatsächlich eine schnellere Aktivierung des MYB14-Promotors hervorruft. Dazu wurden die beiden Versionen des MYB14-Promotors (einmal aus Hördt 29, einmal aus Kulturreben) vor das Gen für Luciferase gespannt. Luciferase ist das Enzym, was für das Leuchten der Glühwürmchen verantwortlich ist. Diese Kombination wurde dann mithilfe einer Genkanone in Weinrebenzellen hineingeschossen und dann geprüft, wie gut man den Promotor durch Signale aus Mikroorganismen aktivieren kann - jedesmal, wenn der Promotor aktiviert wird, entsteht nämlich ein Glühwürmchen-Leuchten und dessen Stärke kann man messen. Hier zeigte sich nun tatsächlich, dass das Genstück aus der Wildrebe Hördt 29 etwa viermal so stark aktiviert wie das entsprechende Genstück aus Kulturreben. mehr...

Wie geht es weiter?

MYB14 ist erst der Anfang, gemeinsam mit der Bundeszüchtungsanstalt Geilweilerhof in Siebeldingen durchsuchen wir unsere Wildreben nach weiteren Faktoren der Resistenz. Der Klimawandel lässt neue Krankheiten wie Schwarzfäule oder Esca zu einem ernsthaften Problem werden. Wir denken nicht, dass man mit einer Wunderwaffe alle Probleme meistern kann. Wir denken eher, dass wir einen Werkzeugkasten voller Tricks benötigen, die wir dann für verschiedene Herausforderungen unterschiedlich kombinieren können. Der Weg der Wahl heißt molekulare Züchtung - das hat nichts mit Gentechnik zu tun, denn man greift auf die natürliche Sexualität der Pflanze zurück (man kreuzt also Wild- und Kulturreben auf herkömmliche Weise). Man benutzt jedoch das molekulare Wissen, das von uns und vielen Kollegen in einer internationalen Anstrengung zusammengetragen wurde, um unter den Nachkommen einer solchen Kreuzung schnell und präzise diejenigen herauszusuchen, mit denen man dann weiterarbeiten will. Dennoch braucht man hier einen langen Atem - Weinreben brauchen einige Jahre, bis sie zum ersten Mal blühen, bis man also weiterzüchten kann. Die ersten Kreuzungen von Hördt 29 mit Kulturreben haben schon eine umfangreiche Nachkommenschaft erzeugt, die zur Zeit heranwächst und in ein paar Jahren für den nächsten Züchtungsschritt zur Verfügung steht.

Um Zeit zu sparen, muss man das Aufeinandertreffen von Wirt und Erreger recht genau kennen, um so weitere Schalthebel in die Hand zu bekommen. Daher studieren wir beide Seiten recht genau:

  • Die Seite der "Guten": Wie wird Immunität aktiviert?
  • Die Seite der "Bösen": Wie wird Immunität unterdrückt?

Krankheiten sind nicht alles

Der Klimawandel bringt nicht nur neue Krankheiten, sondern stellt die Pflanzen auch vor zahlreiche weitere Herausforderungen: Trockenheit, Bodenversalzung (im Mittelmeerraum, wo Reben häufig künstlich bewässert werden), Anstieg des pH-Werts im Boden oder hohe Temperaturen, um nur einige zu nennen. Auch hier haben unsere Wildreben einiges zu bieten. Gemeinsam mit Partnern in Tunesien werden wir ab Sommer 2016 in einem vom BMBF geförderten Projekt untersuchen, ob man Reben durch Pfropfen auf Wildreben-Wurzelstöcke besser gegen solche klimatischen Herausforderungen wappnen kann.