CRISPR-Einsatz: Revolutionäre Reissorten bekämpfen tödliches afrikanisches Virus

Verschiedene Reispflanzen, sowohl Kontrollpflanzen als auch Mutanten, zwischen drei und vier Wochen nach der Inokulation. Bildnachweis: IRD / Laurence Albar

Das sogenannte Rice Yellow Mottle Virus (kurz: RYMV) ist für hohe Ernteverluste in Afrika verantwortlich, insbesondere bei Kleinbauern. Ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Französischen Instituts für nachhaltige Entwicklung (IRD) hat nun durch Genomeditierung reislinien entwickelt, die gegen die Krankheit resistent sind. Die Reissorten, deren Entwicklung das Team in der Zeitschrift Plant Biotechnology Journal beschreibt, sind ein vorläufiger Schritt hin zur Erzeugung von resistenten lokal angepassten Elite-Sorten für kleinbäuerliche Lebensmittelproduzenten in Afrika.

RYMV ist ein RNA-Virus, das von Käfern und direktem Blatt-zu-Blatt-Kontakt übertragen wird. In Afrika, wo die Mehrheit der Produzenten auf Parzellen von kaum einem Hektar Größe arbeitet, gehen regelmäßig zwischen zehn und hundert Prozent der Reisernten auf dieses Virus zurück. Dies macht es zu einem lebensbedrohlichen Problem für die ärmsten Bauern.

Es gibt keinen wirksamen Schutz gegen das Virus. "Der einzige echte Schutz besteht darin, Reissorten zu entwickeln, die ein Resistenzgen gegen RYMV besitzen, was die Pflanze unverwundbar machen würde", sagt Dr. Yugander Arra, Erstautor der in der Zeitschrift Plant Biotechnology Journal veröffentlichten Studie.

Ein Forschungsteam des Instituts für Molekulare Physiologie der HHU (unter der Leitung von Professor Dr. Wolf B. Frommer) und des Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in Montpellier, Frankreich, hat solche resistenten Reissorten entwickelt.

Derzeit sind drei Resistenzgene bekannt; Mutationen in nur einem der Gene, das RYMV1, 2 und 3 genannt wird, reichen aus, um eine Resistenz zu erreichen. Die resistente Form rymv2 tritt in ertragsschwachen afrikanischen Reissorten (Oryza glaberrima) auf. RYMV2, auch als CPR5.1 bekannt, kodiert ein wichtiges Protein aus den Poren des Zellkerns. Beim Modellpflanze Arabidopsis thaliana führt der Verlust der einzigen Genkopie von CPR5 zu einer breiten Palette von Resistenz nicht nur gegen Viren, sondern auch gegen Bakterien und Pilze. Das Wachstum ist jedoch stark eingeschränkt, die Pflanzen zeigen spontane Läsionen und produzieren niedrige Erträge. Daher war es wichtig zu prüfen, ob die rymv2-Resistenz ohne negative Folgen auf andere Reissorten übertragen werden kann.

In Afrika werden hauptsächlich ertragreiche Reissorten auf Basis der asiatischen Art Oryza indica verwendet, die dieses Resistenzgen nicht besitzen. Das Einsetzen des entsprechenden Gens ist jedoch kein besonders vielversprechender Ansatz, da die Nachkommen solcher "interspezifischen" Hybriden hoch steril sind und daher die Resistenz nicht leicht reproduzieren und weitergeben können.

Mit der CRISPR/Cas-Genomeditierungsmethode hat die Forschungsgruppe nun gezeigt, dass Mutationen des RYMV2-Gens in einer asiatischen Reissorte erzeugt werden können, die sie auf ähnliche Weise gegen das Virus resistent machen wie die afrikanische Form. Im nächsten Schritt soll versucht werden, relevante afrikanische Elite-Sorten auf die gleiche Weise zu bearbeiten, um sie dann den kleinbäuerlichen Produzenten in Afrika zugänglich zu machen. Dies ist das Ziel des internationalen Forschungskonsortiums "Healthy Crops", das von der HHU geleitet wird.

Pflanzen haben vererbte Mechanismen, die in der Frühzeit der Evolution nützlich waren, aber heute eher schädlich sind. Mais ist ein gutes Beispiel dafür: Ein Gen bewirkt, dass die Körner abgestoßen werden, wenn zur Zeit der Befruchtung Trockenheit herrscht. Diese von dem Gen verursachte Eigenschaft war gut für die wilden mehrjährigen Vorfahren der heutigen Maispflanzen, hat aber einen nachteiligen Einfluss auf den Ertrag der heute in der Landwirtschaft verwendeten einjährigen Pflanzen.

Ähnlich ist es bei dem hier untersuchten Reis. Professor Frommer: "Diese Resistenz-Eigenschaft beruht auf dem Verlust einer nicht wesentlichen Genfunktion. Wenn wir das Gen vollständig ausschalten, verhalten sich die Pflanzen normal. Durch den Verlust der Genfunktion sind sie jedoch gegen das Virus resistent."

Dr. Eliza Loo, Leiterin der Healthy Crops-Gruppe, fügt hinzu: "Es ist sozusagen ein Archetyp, der für seine Vorfahren nützlich war, aber der jetzt zu verheerenden Ernteverlusten in Trockenperioden führt. Es erscheint sinnvoll, dieses Gen auszuschalten, und es hat keine offensichtlichen Nebenwirkungen."

Überraschenderweise führt weder das Ausschalten des eng verwandten CPR5.2-Gens noch der beiden Gene RYMV2 und CPR5.2 - zumindest unter Gewächshausbedingungen - zu Beeinträchtigungen. Es ist auch bemerkenswert, dass der Verlust von CPR5.2 nicht zu RYMV-Resistenz führt. Alles deutet darauf hin, dass die Bearbeitung des RYMV2-Gens ein vielversprechender Ansatz zur Bekämpfung der Reisekrankheit in Afrika ist.

Reference: “Rice Yellow Mottle Virus resistance by genome editing of the Oryza sativa L. ssp. japonica nucleoporin gene OsCPR5.1 but not OsCPR5.2” by Yugander Arra, Florence Auguy, Melissa Stiebner, Sophie Chéron, Michael M. Wudick, Manuel Miras, Van Schepler-Luu, Steffen Köhler, Sébastien Cunnac, Wolf B. Frommer and Laurence Albar, 20 December 2023, Plant Biotechnology Journal. DOI: 10.1111/pbi.14266

The research took place within the framework of the Cluster of Excellence for Plant Research CEPLAS and was funded as part of Prof Frommer’s Alexander von Humboldt Professorship.