Field trials planned in Reckenholz

Hundreds of resistance genes that provide wheat varieties with protection against fungal pathogens are already known. One of these genes – the wheat resistance gene Lr34 identified by Keller and his team – is characterized by a long-lasting, partial effect against several fungal species. The UZH researchers want to find out whether this particular resistance gene also works when it comes to protecting corn and barley. Tests in the laboratory and in the greenhouse have shown that corn and barley lines genetically modified with Lr34 are indeed better protected against several fungal diseases. “We now want to verify the effect in the field and have submitted a request to the Federal Office for the Environment to carry out a field trial at the Agroscope site in Zurich-Reckenholz,” says Teresa Koller, who leads the planned field trials. They are planned from spring 2019 to autumn 2023.

Corn and barley with improved resistance against fungal disease

After the positive findings from the greenhouse trials, the researchers now want to test the protective effect outdoors: Lr34 corn plants against northern corn leaf blight (E. turcicum) and corn smut (U. maydis), and Lr34 barley plants against barley leaf rust (P. hordei) and powdery mildew (B. graminis f. sp. hordei). “We also want to investigate whether the genetic changes have an effect on other agronomic properties of the corn and barley lines, such as plant development and yield,” adds Koller.

Better understanding the immune system of plants

The Lr34 resistance gene has been extensively used for over a century in wheat breeding and cultivation. And yet, fungal pathogens have still not adapted to this resistance – in other words, Lr34 is as effective as ever. Many known resistance genes include a blueprint for receptors that enable the plants to recognize pathogens. The structure of Lr34 in contrast resembles what is known as an ABC transporter. These are membrane proteins that are responsible for transporting substrates across membranes to the inside of a plant cell or outside a cell.

Plants have developed a sophisticated immune system that allows them to distinguish between pathogenic microbes and those that are harmless or beneficial and then trigger the appropriate defense mechanism. “The main goal of the field trials is to improve our understanding of the function and effectiveness of Lr34,” says Teresa Koller, who already led the field trials with transgenic powdery mildew-resistant wheat lines from 2016 to 2018.

Literature:

Boni, R., Chauhan, H., Hensel, G., Roulin, A., Sucher, J., Kumlehn, J., Brunner, S., Krattinger, S.G. and Keller, B. Pathogen-inducible Ta -Lr34res expression in heterologous barley confers disease resistance without negative pleiotropic effects. Plant Biotechnol. J. 11 July 2017. DOI: 10.1111/pbi.12765

Sucher, J., Boni, R., Yang, P., Rogowsky, P., Büchner, H., Kastner, C., Kumlehn, J., Krattinger, S.G. and Keller, B. The durable wheat disease resistance gene Lr34 confers common rust and northern corn leaf blight resistance in maize. Plant Biotechnol. J. 13 October 2016. DOI: 10.1111/pbi.12647

Risk, J.M., Selter, L.L., Chauhan, H., et al. The wheat Lr34 gene provides resistance against multiple fungal pathogens in barley. Plant Biotechnol. J. 28 May 2013. DOI: 10.1111/pbi.12077

Die Gruppe von Beat Keller, Professor am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich (UZH), erforscht seit vielen Jahren das Immunsystem von Getreidesorten, mit dem sich die Pflanzen gegen Schädlinge und Krankheiten zur Wehr setzen. Ziel ist, die vielfältigen Wechselwirkungen von Pflanzen und Pathogenen besser zu verstehen. Gleichzeitig können die widerstandsfähigeren Linien in der Pflanzenzucht genutzt werden, da Pilzkrankheiten häufig zu grossen Ernteverlusten führen.

Freilandversuche in Reckenholz geplant

Hunderte Resistenzgene gegen Pilzkrankheiten von diversen Getreidearten sind bereits bekannt. Eines davon – das von Kellers Team identifizierte Resistenzgen Lr34 aus Weizen – zeichnet sich durch eine langanhaltende, partielle Wirkung gegen mehrere Pilzarten aus. Die UZH-Forschenden wollen wissen, ob das Weizen-Resistenzgen auch bei Mais und Gerste funktioniert. Versuche im Labor und im Gewächshaus haben gezeigt, dass mit Lr34 ausgestattete Mais- und Gerstenlinien besser geschützt sind gegen mehrere Pilzkrankheiten. «Nun wollen wir die Resistenzwirkung unter Feldbedingungen testen. Wir haben daher beim Bundesamt für Umwelt einen Freilandversuch am Agroscope-Standort in Zürich-Reckenholz beantragt», sagt Teresa Koller, Leiterin der geplanten Feldversuche. Deren Durchführung ist vorgesehen von Frühling 2019 bis Herbst 2023.

Mais und Gerste mit verbesserter Pilzresistenz

Nach den erfreulichen Resultaten aus den Gewächshausversuchen soll die Schutzwirkung nun im Freiland getestet werden: beim Lr34-Mais gegen die Blattfleckenkrankheit (E. turcicum) und den Maisbeulenbrand (U. maydis) und bei der Lr34-Gerste gegen den Zwergrost (P. hordei) und den Echten Mehltau (B. graminis f. sp. hordei). «Zudem wollen wir untersuchen, ob die genetischen Veränderungen auch weitere agronomische Eigenschaften der Mais- und Gerstenlinien beeinflussen: die Pflanzenentwicklung und den Ertrag», ergänzt Koller.

Das pflanzliche Immunsystem besser verstehen

Das Resistenzgen Lr34 wird weltweit seit mehr als einem Jahrhundert intensiv in der Zucht und dem Anbau von Weizen genutzt. Trotzdem haben sich die Pilzerreger bisher noch nicht an die Resistenz angepasst – Lr34 ist also nach wie vor wirksam. Viele bekannte Resistenzgene beinhalten den Bauplan für Rezeptoren, mit denen die Pflanzen Krankheitserreger erkennen können. Lr34 hingegen ist von der Struktur her ein sogenannter ABC-Transporter. Dabei handelt es sich um Membranproteine, die Substanzen aktiv in die Pflanzenzelle hinein oder aus dem Zellinneren heraus transportieren.

Pflanzen haben ein ausgeklügeltes Immunsystem entwickelt, das ihnen erlaubt, zwischen krankmachenden und unproblematischen oder nützlichen Mikroben zu unterscheiden und eine angemessene Abwehrreaktion auszulösen. «Primäres Ziel der geplanten Feldversuche ist, die Funktion und Wirksamkeit von Lr34 besser zu verstehen», sagt Teresa Koller, die bereits die Freilandversuche mit transgenem, mehltauresistentem Weizen von 2016 bis 2018 leitete.

Literatur:

Boni, R., Chauhan, H., Hensel, G., Roulin, A., Sucher, J., Kumlehn, J., Brunner, S., Krattinger, S.G. and Keller, B. Pathogen-inducible Ta -Lr34res expression in heterologous barley confers disease resistance without negative pleiotropic effects. Plant Biotechnol. J. 11 July 2017. DOI: 10.1111/pbi.12765

Sucher, J., Boni, R., Yang, P., Rogowsky, P., Büchner, H., Kastner, C., Kumlehn, J., Krattinger, S.G. and Keller, B. The durable wheat disease resistance gene Lr34 confers common rust and northern corn leaf blight resistance in maize. Plant Biotechnol. J. 13 October 2016. DOI: 10.1111/pbi.12647

Risk, J.M., Selter, L.L., Chauhan, H., et al. The wheat Lr34 gene provides resistance against multiple fungal pathogens in barley. Plant Biotechnol. J. 28 May 2013. DOI: 10.1111/pbi.12077