Düsseldorf, Germany
February 19, 2025
The “Healthy Crops” consortium, an international team of researchers, which includes Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU), has – in collaboration with the Kenya Agricultural and Livestock Research Organization (KALRO) – developed an innovative strategy to combat the disease Bacterial Blight (for short: BB) in rice using genome editing technology. If approved for use by farmers in Kenya, the BB-resistant rice varieties are expected to reduce yield losses associated with the disease in the affected rice growing regions and increase productivity.
© Emily Gichuhi
Scientists from KALRO take samples from the vast rice fields in Kenya to examine them for pathological organisms. (Photo: Emily Gichuhi)
Rice production is of central importance for food security and economic development in many countries, in particular in low- and medium-income countries. Rice is the second most important staple food in East Africa, with 1.8 million tonnes consumed every year in the countries of the East African Community (for short: EAC).
In 2019, members of the Healthy Crops team identified an outbreak of BB in Tanzania caused by invasive Asian variants of the bacterium Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). The bacterium is spreading rapidly and causing estimated yield losses of 13 – 20%.
Dr Emily Gichuhi from KALRO explains: “Due to climate change, incidences of rice diseases including BB have been on the rise in Kenyan rice growing areas. This has increased the cost of production among rice farmers, thereby reducing their returns.”
Dr Daigo Makihara and Dr Moto Ashikari from Nagoya University (NU) in Japan, researchers from the “Wonder Rice Initiative for Food Security and Health” (WISH), are working closely with Dr Gichuhi and her team to develop new African rice varieties. Dr Makihara explains: “As a result of the international spread of different crop plant varieties, we are increasingly finding ourselves confronted with outbreaks of plant diseases in regions where they have not previously played a role.”
The starting point for the researchers from Healthy Crops is the nutrient supply of the bacteria. The Xoo bacteria possess a set of “keys” which can open the “pantry” of the plants: When the bacterium injects one of these “key” proteins into rice cells, it leads to increased production of a transporter, which releases sugar in the neighbourhood of the bacteria. This sugar serves as nutrition and is essential for the multiplication and virulence of the bacteria. However, when the bacteria utilise the sugar, there is none left for the plant, which ultimately dies as a result.
The research team has succeeded in changing the “locks” via genome editing, making the plants resistant to all known Xoo strains currently prevalent in Asia and Africa.
Professor Bing Yang, University of Missouri, who developed the editing approach, states: “The combination of two different sets of enzymes for editing enabled us to develop a robust resistance.”
The import of these edited elite rice varieties has been made possible due to the availability of genome editing guidelines developed by the National Biosafety Authority (NBA) of Kenya and published in 2022.
Dr Marcel Buchholzer, coordinator of the Healthy Crops project at HHU, explains: “It is now possible to evaluate these rice lines, developed using advanced biotechnology methods at HHU, in Kenya.”
The Healthy Crops team comprises researchers from HHU in Germany, KALRO in Kenya, Nagoya University in Japan, the universities of Florida and Missouri in the USA, the International Center for Tropical Agriculture (CIAT) in Colombia, the French National Research Institute for Sustainable Development (IRD) in France and the Indian Council of Agricultural Research (ICAR) in India. Professor Dr Wolf B. Frommer, spokesperson for the project at HHU explains: “This project aims to protect smallholder farmers from crop yield losses through knowledge-based approaches to fighting plant diseases.”
Within the framework of the Healthy Crops project, HHU is supported by the Gates Foundation (Investment ID: INV-063189) and the Alexander von Humboldt Foundation.
More information: www.healthycrops.org
Ansatz zur Bekämpfung bakterieller Reiskrankheiten in Ostafrika - Krankheitsresistente Reissorten durch Genomeditierung
Das „Healthy Crops“-Konsortium, ein internationales Team von Forschenden, zu dem auch die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) gehört, hat in Kooperation mit der Kenya Agricultural and Livestock Research Organization (KALRO) eine innovative Strategie zur Bekämpfung der bakteriell verursachten Reiskrankheit Weißblättrigkeit (Bacterial Blight, kurz BB) mithilfe Genomeditierungstechnologie entwickelt. Wenn die BB-resistenten Reissorten zur Verwendung durch Landwirte in Kenia zugelassen werden, werden in den betroffenen Reisanbaugebieten eine Reduzierung der krankheitsbedingten Ertragsverluste und eine erhöhte Produktivität erwartet
Der Reisanbau ist für die Ernährungssicherheit und die wirtschaftliche Entwicklung in vielen Ländern, insbesondere in solchen mit niedrigem und mittlerem Einkommen, von zentraler Bedeutung. Reis ist das zweitwichtigste Grundnahrungsmittel in Ostafrika. Sein Verbrauch in den Ländern der Ostafrikanischen Gemeinschaft (East African Community, kurz EAC) liegt bei 1,8 Millionen Tonnen pro Jahr.
Mitglieder des Healthy Crops-Teams hatten 2019 einen Ausbruch von BB in Tansania festgestellt, der durch invasive asiatische Varianten des Bakteriums Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) verursacht wurde. Das Bakterium breitet sich rasch aus und verursacht Ertragsverluste von geschätzt 13 bis 20 Prozent.
Dr. Emily Gichuhi von KALRO erklärt: „In Folge des Klimawandels sind Reiskrankheiten, darunter auch BB, schon seit einiger Zeit in kenianischen Reisanbaugebieten auf dem Vormarsch. Dadurch erhöhen sich die Produktionskosten für Landwirte, was wiederum zu niedrigeren Renditen führt.“
Dr. Daigo Makihara und Dr. Moto Ashikari von der japanischen Nagoya-Universität (NU), Wissenschaftler der „Wonder Rice Initiative for Food Security and Health“ (WISH), arbeiten eng mit Dr. Gichuhi und ihrem Team zusammen, um neue afrikanische Reissorten zu entwickeln. Dr. Makihara erklärt: „Durch die internationale Verbreitung von unterschiedlichen Nutzpflanzensorten sind wir zunehmend damit konfrontiert, dass Pflanzenkrankheiten in Regionen auftreten, in denen sie bisher keine Rolle spielten.“
Die Forschenden von Healthy Crops setzen bei der Nährstoffversorgung der Krankheitserreger an. Die Xoo-Bakterien besitzen einen Satz von „Schlüsseln“, die die „Speisekammer“ der Pflanzen öffnen können: Injiziert das Bakterium ein solches „Schlüssel“-Protein in Reiszellen, führt dies zur gesteigerten Produktion eines Transporters, der Zucker in der unmittelbaren Umgebung der Bakterien freisetzt. Der Nährstoff dient ihnen nun als Nahrung und ist essentiell für die Vermehrung und Virulenz der Bakterien. Wenn aber die Bakterien den Zucker nutzen, steht er der Pflanze nicht mehr zur Verfügung, wodurch diese letztlich abstirbt.
Das Forschungsteam konnte durch Genomeditierung die „Schlösser“ verändern und so die Pflanzen resistent gegen alle derzeit in Asien und Afrika vorkommenden Xoo-Stämme machen.
Prof. Dr. Bing Yang von der Universität von Missouri, der den Editierungsansatz entwickelt hat: „Die Kombination von zwei unterschiedlichen Enzymsätzen bei der Editierung ermöglichte die Entwicklung einer robusten Resistenz.“
Der Import dieser editierten Elitereissorten wurde durch die Bereitstellung von Richtlinien zur Genomeditierung ermöglicht, die von der Nationalen Biosicherheitsbehörde Kenias (NBA) entwickelt und 2022 veröffentlicht wurden.
Dr. Marcel Buchholzer, Koordinator des „Healthy Crops“-Projekts an der HHU, erklärt: „Jetzt ist es möglich, diese mit modernen biotechnologischen Methoden an der HHU entwickelten Reislinien in Kenia zu evaluieren.“
Das Healthy Crops-Team umfasst Wissenschaftler von der HHU in Deutschland, des KALRO in Kenia, der Nagoya Universität in Japan, den Universitäten von Florida und Missouri in den USA, des CIAT in Kolumbien, des IRD in Frankreich und ICAR in Indien. Prof. Dr. Wolf B. Frommer, Sprecher des Projekts an der HHU: „Das Projekt hat das Ziel, Kleinbauern durch wissensbasierte Ansätze zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten vor Ernteverlusten zu schützen.“
Die HHU wird im Rahmen des Healthy Crops-Projektes von der Gates Foundation (Investitions-ID: INV-063189) und der Alexander von Humboldt-Stiftung unterstützt.
Weitere Informationen: www.healthycrops.org
Weitere Informationen:
https://www.eac.int/overview-of-eac
https://doi.org/10.15252/embr.202357596
https://www.biosafetykenya.go.ke/
Topics
Species
