Dieses Webportal erklärt, wie die Genom-Editierung in der Pflanzenzüchtung funktioniert. Es stellt Genom-editierte Nutzpflanzen aus der Züchtungsforschung vor, die für die Schweiz von Interesse sein könnten und beantwortet häufig gestellte Fragen zum Thema.

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Äpfel mit Resistenz gegen Feuerbrand

Apfel mit und ohne Resistenz gegen Feuerbrand
Bild: Natascha Jankovski / SCNAT (CC BY-NC-ND 3.0)

Das Wichtigste in Kürze

  • Der Feuerbrand ist eine der grössten Gefahren für den Schweizer Obstbau.
  • Es gibt kaum effektive Mittel gegen den bakteriellen Krankheitserreger.
  • Die Züchtung robuster Sorten ist aufwendig, und charakteristische Eigenschaften etablierter Sorten gehen dabei verloren.
  • Mit CRISPR/Cas ist es gelungen, etablierte Apfelsorten resistenter gegen Feuerbrand zu machen.

Herausforderung

Das aus den USA kommende Feuerbrandbakterium (Erwinia amylovora) breitet sich seit 30 Jahren in der Schweiz aus und hat zu grossen Schäden in Obstanlagen geführt. Insbesondere die ökologisch und kulturlandschaftlich wertvollen Hochstammobstbäume (Quitten-, Birnen- und Apfelbäume) sind stark gefährdet. Blätter und Blüten befallener Pflanzen welken und verfärben sich braun oder schwarz. Junge Pflanzen sterben innert weniger Wochen ab, ältere nach einigen Jahren. Das Bakterium entwickelt sich im Frühjahr unter bestimmten Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen und breitet sich im Sommer rasch durch Regen, Wind, Vögel, Insekten und den Menschen aus. Die Krankheit gilt als besonders schwierig zu bekämpfen.

Aktuelle Strategie

Lange hat man in der Schweiz versucht, den Erreger mit Quarantäne und dem grossräumigen Fällen von befallenen Bäumen zu eliminieren. Schätzungen zufolge wurden zwischen 2000 bis 2014 zur Bekämpfung des Feuerbrands über 300'000 Äpfel- und Birnenbäume gerodet, davon etwa 100'000 Hochstammobstbäume (Ref). Diese Strategie wurde 2020 aufgegeben. Seither beruht das Feuerbrand-Management auf der Wahl robuster Sorten sowie auf der Überwachung und Sanierung von Obstanlagen, der Umsetzung von Hygienemassnahmen und der Behandlung mit Pflanzenschutzmitteln. Als Pflanzenschutzmittel kommen ein Hefepräparat, essigsaure Tonerde und Aluminiumkaliumsulfat zum Einsatz. Mit diesen lässt sich der Befall um 50 bis 70 Prozent reduzieren (Ref). Der Einsatz von Antibiotika, die hierzulande während einigen Jahren als Notfallmassnahme gegen Feuerbrand verwendet werden durften, ist seit 2016 nicht mehr erlaubt (Ref).

Die meisten der im Handel erhältlichen Apfel- und Birnensorten (wie ‘Braeburn’, ‘Gala’ oder ‘Golden Delicious’ bzw. ‘Conference’ und ‘Williams Christ’) sind hoch anfällig für Feuerbrand (Ref). Es gibt mehrere alte Sorten mit erhöhter Widerstandskraft gegen die Krankheit, und auch einige wenige neuere Sorten (z.B. ‘Ladina’ und ‘Rewena’), die bisher allerdings kaum verbreitet sind. Diese Sorten können zwar auch befallen werden, aber das Bakterium breitet sich nach erfolgter Blüten- oder Triebinfektion weniger schnell in der Wirtspflanze aus als bei anfälligen Sorten.

Potential der neuen Züchtungsverfahren

Die Züchtung neuer Kernobstsorten ist ein langer Prozess. Nach einer Kreuzung können die Früchte von Apfelsämlingen erst nach mehreren Jahren zum ersten Mal geerntet und beschrieben werden. Zudem sind meistens mehrere Kreuzungen nötig, um Resistenzeigenschaften mit optimaler Fruchtqualität zu kombinieren. Deshalb dauert es bis zu zwanzig Jahre, bis eine neue resistente Sorte vorliegt. Danach müssen nochmals fünf Jahre für die Sortenprüfung und die Markteinführung eingerechnet werden.

Genom-Editierung verfügt über das Potential, bereits am Markt erfolgreiche Apfelsorten gezielt resistenter gegen Feuerbrand zu machen, und das deutlich schneller als durch konventionelle Züchtungen. Denn bei der Genom-Editierung sind keine Rückkreuzungen nötig, um unerwünschte Eigenschaften zu verhindern. Ausserdem können mehrere Resistenzmechanismen in einer Sorte kombiniert werden. Dies senkt die Gefahr, dass das Bakterium Resistenzen durchbrechen kann.

Entwicklungsstand

Mittels CRISPR/Cas konnten Forscherinnen und Forscher in Pflanzen der Apfelsorten ‘Gala’ und ‘Golden Delicious’ ein Gen ausschalten, das ihre Empfindlichkeit für Feuerbrand erhöht. Das CRISPR/Cas-System wurde nur vorübergehend in das Genom integriert und anschliessend wieder entfernt. Dabei blieben funktionslose Fragmente der für das CRISPR/Cas-System eingefügten DNA im Genom zurück. Ansonsten wurden keine unbeabsichtigten Veränderungen im Erbgut festgestellt. Die editierten Pflanzen zeigten unter Versuchsbedingungen nach einer Feuerbrandinfektion ca. 50% weniger Symptome (Ref).

Ausblick

Falls sich die oben vorgestellte Strategie zur Verbesserung der Resistenz gegen Feuerbrand unter Feldbedingungen bewährt, kann sie auch in anderen anfälligen Apfelsorten angewendet werden. Temporär eingebrachte CRISPR/Cas-Systeme könnten die Züchtung zusätzlich beschleunigen und zudem verhindern, dass funktionslose Fragmente des molekularen Werkzeugs im Genom der Apfelsorten zurückbleiben (Ref). Um die Abwehrkraft gegen Feuerbrand noch weiter zu verbessern, könnten mithilfe von CRISPR/Cas allenfalls mehrere Resistenzmechanismen kombiniert werden. Eine Kombination mehrerer Resistenzmechanismen zusammen mit einem guten Resistenzmanagement drängt sich auch deshalb auf, weil sich die Feuerbrandbakterien relativ schnell genetisch anpassen können.