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Forschung & Technik
03.03.2020

Immuntherapie für Kartoffeln

Der Beginn der Blattinfektion. Innerhalb kurzer Zeit wird der Pilz die gesamte Blattmasse vernichtet haben. Foto: i-bio

Wissenschaftler wollen die Kultur bei der Abwehr von Schaderregern unterstützen

Jahrhundertelang schwebte Phytophthora infestans als Schreckgespenst über Bauern und Bewohnern vor allem armer Länder. Wissenschaftler wollen endlich herausfinden, ob der aggressive Schadpliz, dem man heute nur mit zahlreichen Spritzbehandlungen beikommt, anderweitig zu beherrschen ist. Dafür gibt es mehrere interessante Ansätze.

Der Pilz Phytophthora infestans, Verursacher der Kraut- und Knollenfäule an Kartoffeln und Tomaten, hat die Weltgeschichte verändert. Das können nicht viele Schaderreger von sich behaupten. Doch die Bedeutung der Krankheit endete leider nicht, nachdem sie von 1845 bis 1849 Ursache für 1 Million Hungertote in Irland und einen Exodus von weiteren 2 Millionen Iren in die USA war. Bis heute ist die Kraut- und Knollenfäule weltweit die mit Abstand wichtigste Kartoffelkrankheit; sie verursacht – durch feucht-warme Witterung begünstigt – Ertragsverluste von 20 Prozent bis hin zum Totalausfall. Unsichtbar infizierte Pflanzknollen bringen den Erreger mit aufs Feld; der infiziert alle Teile der Pflanze, zerstört die Blattfläche, befällt Knollen und verursacht Lagerverluste. Kartoffelanbauer im konventionellen und im Öko-Landbau müssen Fungizide gegen den Pilz einsetzen, bei hohem Befallsdruck im Abstand von wenigen Tagen.

Im ökologischen Anbau retten einzig und allein Mittel auf Kupferbasis die Kultur vor der Vernichtung durch den Pilz. Unglücklicherweise ist der Pilz bei chemischen Wirkstoffen – außer beim unspezifisch wirkenden Kupfer – sehr schnell in der Lage, durch Mutationen Resistenzen gegen bestimmte Wirkstoffe aufzubauen. Um dem vorzubeugen, hilft nur stetiger Wirkstoffwechsel und die konsequente Nutzung weiterer ackerbaulicher Vorsorgemaßnahmen.

Was unterscheidet Wirts- und Nichtwirtspflanzen?

Alles in allem also kein Wunder, dass Wissenschaftler in der ganzen Welt seit Jahrzehnten intensiv nach einem Gegenmittel gegen diesen hinterhältigen Pilz suchen. Dabei fassen sie neben dem Pflanzenschutz auch die Möglichkeiten der züchterischen Bearbeitung der Pflanze ins Auge. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle stellten sich zum Beispiel die Frage, warum Phytophthora Kartoffeln befällt und schädigt, die meisten anderen Pflanzen aber nicht erfolgreich besiedeln kann. Diese sogenannte „Nichtwirts-Resistenz erforschen die Wissenschaftler an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Es gelang, aus Arabidopsis zwei Substanzen zu isolieren, die bei der Abwehr des Pilzes eine Rolle spielen.

Warum ist diese Entdeckung bedeutsam? Pflanzen sind wie alle Lebewesen permanent von Krankheitserregern umgeben, werden aber vergleichsweise selten krank. Denn ähnlich wie Menschen verfügen Pflanzen über eine Art Basis-Immunität, die Keime bekämpft und eine Besiedelung oftmals erfolgreich verhindert. Durch Abwehrreaktionen können die meisten Pflanzen verhindern, zur Wirtspflanze eines Erregers zu werden.

Erste Voraussetzung dafür: den Feind erkennen! Rezeptoren in der Zellmembran sind darauf spezialisiert, mikrobielle Oberflächenstrukturen wie das pilzliche Chitin oder das bakterielle Flagellin an sich zu binden. Daraufhin wird der Rezeptor aktiviert und sendet in die Zelle ein Signal: „Achtung Feind“. Die aktiviert Abwehrgene, die über Enzyme antimikrobielle Substanzen herstellen lassen, die den Erreger abtöten oder keine weiteren in die Zelle lassen.

Modellpflanze als Vergleich

An der Modellpflanze Arabidopsis haben die Hallenser Wissenschaftler nun untersucht, welche Abwehrsubstanzen gegen Erreger wie Phytophthora aktiviert werden. In infizierten Pflanzen fanden sie einen stark aktivierten Stoffwechsel mit zahlreichen, zumeist antimikrobiellen Substanzen vor, die in den unbefallenen Kontrollpflanzen nicht nachweisbar waren. Unter jenen Substanzen waren einige Verbindungen, die der Wissenschaft bisher unbekannt waren. Ihre genaue Funktion bei der Abwehr des Schaderregers ist also als nächstes zu untersuchen.

Im Vergleich mit der Immunreaktion von Kartoffeln auf den Schadpilzbefall fanden die Wissenschaftler heraus, dass diese zwar auch antimikrobielle Substanzen herstellten, diese aber offenbar nicht ohne Weiteres auf die Blattoberfläche transportieren können. Könnte man diese Transportwege absichern und eventuelle weitere Schwachstellen bei der Immunabwehr der Kartoffel gegenüber Phytophthora entdecken und ausmerzen, so stünde am Ende vielleicht eine gegen den Pilz unempfindliche Sorte zur Verfügung.

Resistenzgene aus Wildkartoffeln

Das Wissenschaftsportal transgen.de beschreibt eine andere Methode, um nachhaltig gegen den kleinen Quälgeist mit dem schwierigen Namen vorzugehen: 2015 wurde in den USA eine erste, per Gentechnik phytophthora-resistent gemachte Kartoffel für den Anbau zugelassen. Sie enthält ein Resistenzgen aus Wildkartoffel. Das Problem: Solche über einzelne Resistenzgene eingezüchteten Resistenzen werden schnell vom Pilz per Mutation durchbrochen. Das nächste Problem, zumindest hier in Europa: Bei der Kartoffel ist eindeutig die Gentechnik die sinnvollste Züchtungsmethode. Denn konventionell eingezüchtete Resistenzgene übertragen viele unerwünschte Eigenschaften der wilden Kartoffeln, deren Herauszüchtung wegen der komplexen Vererbungsmuster schwierig und zeitaufwändig ist.

An der Universität Wageningen in den Niederlanden wurden Kartoffeln mit verschiedenen Resistenzgenen aus Wildkartoffeln bestückt. Ziel dieser Forschung ist nun nicht mehr ein absoluter Schutz vor Phythophthora, sondern eine Art Grundresistenz, die die Vermehrung des Erregers dauerhaft verlangsamt und nicht so leicht durch neue Mutationen durchbrochen werden kann. Erfreulicher Nebeneffekt für Landwirte und Umwelt: die niederländischen Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Anzahl der Pflanzenschutz-Behandlungen um 80 Prozent gesenkt werden kann.

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