Zurich, Switzerland
September 11, 2019
ETH researchers are involved in the development and implementation of a method to efficiently breed for disease-resistant beans in different regions of the world. Their work will help to improve the livelihood and food security of smallholders in developing countries.
A genetic selection method helps African breeders to grow beans that are disease-resistant. (Photograph: Georgina Smith / CIAT / CC BY-NC-SA 2.0)
For many people in Africa and Latin America, beans are an important staple. Historically described as “the meat of the poor”, beans are rich in protein and minerals, affordable and suitably filling. That is why they are served daily, often with several meals.
In many regions, however, plant diseases severely reduce bean yields. For example, the dreaded angular leaf spot disease can cause yield losses of up to 80 percent – especially in Africa, where smallholders rarely have the opportunity to protect their crops with fungicides.
Genomics-assisted breeding
Working with Bodo Raatz and his team at the International Center for Tropical Agriculture (CIAT), ETH researchers from the group led by Bruno Studer, Professor of Molecular Plant Breeding, investigated the resistance of beans to angular leaf spot disease. Their findings are now enabling disease-resistant bean varieties to be bred more rapidly and selectively for the world’s various bean-producing regions.
Their method is built upon genome analyses of those beans that are potentially suitable for breeding new, resistant varieties. The resulting genetic profiles provide information as to whether the progeny from crossbreeding two varieties will be resistant to the pathogenic fungus’s different, locally occurring strains (known as pathotypes).
Genetic profiles created for 316 varieties
Michelle Nay, who carried out the project as part of her doctoral thesis in Studer’s group, started by gathering as many different bean seeds as possible from CIAT’s seed repository. In total, she collected 316 different varieties that displayed characteristics suitable for breeding resistance to the fungus that causes angular leaf spot disease.
Study author Michelle Nay in a test field in Colombia. (Photograph: courtesy of M. Nay)
Next, Nay planted the beans from her collection in Uganda and Colombia, both in greenhouses and in the field. Her aim was to find out if and indeed how the different varieties react to the fungus’s various pathotypes in each country, and then to identify the genetic basis of disease resistance.
Nay also created a high-resolution genetic profile for each of the 316 bean types based on variations in their DNA known as genetic markers, and identified which markers occurred only in the disease-resistant beans. She subsequently used these markers to predict which progeny would be resistant to which pathotypes in a given country, and which ones would be susceptible to disease.
Improvement on conventional plant breeding
“Our method speeds up the breeding process considerably,” Studer says. It’s a big step forward because crossbreeding had previously been a numbers game and involved testing every single plant for its resistance, he explains. Now, on the basis of a genetic test, it is possible to predict a plant’s resistance without testing it in laborious field trials. “This is a huge help in bean breeding and great news for people who rely heavily on beans as a staple of their diet,” Studer says.
The group’s work to provide disease-resistant beans will also help to cut down on global pesticide use. As things stand today, Studer explains, fungicide use is common for bean cultivation in Latin America, but almost non-existent in Africa because many farmers don’t have access to pesticides, or don’t know how to use them safely and efficiently: “Disease-resistant beans are a double win: famers in Latin America can reduce their pesticide use while farmers in Africa can increase their crop yield pesticide-free.”
Simple, inexpensive and open-source technology
CIAT distributes the seeds from this project to various sub-organisations who then supply them to breeders. The analytical method for determining genetic markers is relatively simple and inexpensive to apply, making it viable for use in agricultural laboratories in the countries concerned. It costs less than 0.2 CHF to test a genetic marker, Nay explains, which is an affordable amount for laboratories in less affluent countries. What’s more, all the findings from this study are available through open access. “This way, our work reaches the people who really need these kind of resources,” Nay emphasises.
Nay and Studer worked on this project in close collaboration with CIAT. The global research centre runs the largest breeding programme in the tropics and has several thousand varieties of bean in its seed repository. At its headquarters in Colombia, CIAT breeds new bean varieties, tests the seeds, and, in partnership with the Pan-Africa Bean Research Alliance, makes the seeds available to farmers for cultivation.
In collaboration with CIAT and supported by the World Food System Center at ETH Zurich, Studer and his group will now conduct a follow-up project to refine their breeding method. While the researchers previously focused on markers for one specific disease, the new project will take a more holistic approach as they attempt to use such genome profiles to predict as many plant characteristics as possible.
This research has been supported by the Sawiris Foundation for Social Development.
Reference
Nay MM, Mukankusi CM, Studer B, Raatz B: Haplotypes at the Phg-2 locus are determining pathotype-specificity of angular leaf spot resistance in common bean. Frontiers in Plant Science, 2019. DOI: 10.3389/fpls.2019.01126
Resistente Bohnen dank moderner Pflanzenzüchtung
ETH-Forschende sind massgeblich an einer Methode beteiligt, mit der rasch und gezielt krankheitsresistente Bohnen für verschiedene Weltregionen gezüchtet werden können. Damit tragen sie dazu bei, die Ernährungssicherheit von Selbstversorgern in Ländern in den Tropen zu verbessern.
Für viele Kleinbauern und Selbstversorger in Afrika und in Lateinamerika sind Bohnen eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel. Fleisch können sich diese Bevölkerungsschichten oft nicht leisten. Bohnen sind reich an Proteinen und Mineralstoffen – und sie machen satt. Dementsprechend kommen diese Leguminosen täglich zu jeder Mahlzeit auf den Teller.
Pflanzenkrankheiten aber schmälern die Ernte vielerorts empfindlich. Insbesondere ein Pilz, der die gefürchtete Angular-Leaf-Spot-Krankheit hervorruft, verursacht Ernteausfälle von bis zu 80 Prozent, vor allem in Afrika, wo Kleinbauern oft keinen Zugang zu Pflanzenschutzmitteln haben und das Wissen fehlt, wie diese anzuwenden sind.
Gezielte Züchtung
In Zusammenarbeit mit Bodo Raatz und seinem Team am Internationalen Zentrum für tropische Landwirtschaft (CIAT) haben deshalb ETH-Forschende aus der Gruppe von Bruno Studer, Professor für Molekulare Pflanzenzüchtung, nun die natürliche genetische Resistenz der Bohnen gegen die Angular-Leaf-Spot-Krankheit untersucht. Mit ihren Erkenntnissen, lassen sich resistente Bohnensorten rascher und gezielter züchten.
Kern der neuen Methode ist, von Bohnen, die sich potenziell für die Züchtung neuer resistenter Sorten eignen, ein genetisches Profil zu erheben. Dieses Profil gibt im Voraus Auskunft darüber, ob die Nachkommen, die aus der Kreuzung zweier Sorten hervorgehen, gegen verschiedene lokal vorkommende Stämme des krankheitserregenden Pilzes (sogenannte Pathotypen) resistent sind.
Genetisches Profil von 316 Sorten erstellt
Zunächst stellte Michelle Nay, die das Projekt im Rahmen ihrer Dissertation bei Bruno Studer durchführte, eine möglichst vielfältige Sammlung von Bohnensaatgut aus dem Fundus der CIAT-Samenkollektion zusammen. Nays Sammlung umfasste 316 verschiedene Sorten, die für die Weiterzucht relevante Merkmale gegen den Pilz aufweisen.
Nay pflanzte dann die Bohnen aus ihrer Sammlung in Uganda und in Kolumbien sowohl im Freiland als auch im Gewächshaus. Auf diese Weise wollte sie herausfinden, ob und wie die verschiedenen Sorten auf die jeweiligen Stämme des Schadpilzes in den entsprechenden Ländern reagieren und welche Gene die Resistenzen vermitteln.
Ausserdem erstellte die Forscherin von jeder der 316 Bohnenlinien ein hochaufgelöstes Erbgutprofil anhand von Variationen im Erbgut, sogenannten genetischen Markern, und sie identifizierte diejenigen Marker, welche nur in resistenten Bohnen vorkommen. Die Marker dienten ihr zur Vorhersage, welche Kreuzungsprodukte gegen welche Pilzstämme eines Landes resistent sein werden und welche nicht.
Fortschritt in der konventionellen Züchtung
«Unser Verfahren beschleunigt die Züchtung enorm», freut sich Studer. Es sei ein grosser Fortschritt, da man vorher mehr oder weniger auf gut Glück hin verschiedene Sorten miteinander kreuzte und jede einzelne Pflanze auf ihre Resistenz testen musste. Dank den Erbgutprofilen könne man nun einschätzen, ob die Nachkommen resistent seien. «Das ist für die Bohnenzüchtung enorm hilfreich und für Menschen, die dringend auf Bohnen angewiesen sind, eine gute Nachricht.»
Studer sieht die Züchtung von krankheitsresistenten Bohnen aber auch als Beitrag zur Reduzierung des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln. In Lateinamerika würden heute im Bohnenanbau viele Pestizide eingesetzt, in Ostafrika hingegen sehr wenige, weil die Bauern oft keinen Zugang zu ihnen hätten. «Mit resistenten Bohnen schlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe: die Bauern Lateinamerikas brauchen weniger Pflanzenschutzmittel, die Bauern Afrikas können mehr ernten, auch ohne Pestizide.»
Einfache und günstige Technologie
Das Saatgut, das aus diesem Projekt hervorgeht, wird vom CIAT an verschiedene Partnerorganisationen verteilt, die daraus hervorgehende Sorten an Bauern liefern. Die Analysetechnik zur Bestimmung der genetischen Marker ist ebenfalls relativ einfach und günstig, so dass sie von agrarwissenschaftlichen Programmen der jeweiligen Länder angewendet werden kann. Einen genetischen Marker zu testen, koste weniger als 20 Rappen, sagt Nay. Das können sich auch Labors in armen Ländern leisten. Zudem ist alles, was im Rahmen dieser Arbeit entstand, offen zugänglich. «Damit erreichen wir genau die Leute, die wirklich Zugang zu solchen Ressourcen haben müssen», betont Nay.
Nay und Studer arbeiteten in diesem Projekt eng mit dem CIAT zusammen. Dieses betreibt in Kolumbien ein grosses Züchtungsprogramm und verfügt über die weltgrösste Saatgutsammlung von mehreren Tausend Bohnensorten. Im CIAT-Sortengarten in Kolumbien werden neue Sorten mit konventioneller Kreuzungszüchtung erzeugt, das Saatgut getestet und über die Partnerorganisation «Pan-Africa Bean Research Alliance» auch Züchtern in Afrika zur Weiterzucht zur Verfügung gestellt.
In einem Nachfolgeprojekt werden Studer und seine Gruppe in Zusammenarbeit mit dem CIAT und mit Unterstützung des World Food Systems Center der ETH Zürich die Zuchtmethode weiterentwickeln. Während sich die Forschenden bisher auf molekulare Marker für die eine Krankheit konzentriert hatten, verfolgt das neue Projekt einen ganzheitlicheren Ansatz und man versucht, möglichst viele Eigenschaften der Pflanzen basierend auf den Erbgutprofilen vorauszusagen.
Dieses Projekt wurde finanziell unterstützt von der Sawiris Foundation for Social Development.
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