Kartoffeln

Genomeditierte Kartoffeln gegen die Kraut- und Knollenfäule updated

CRISPR/Cas 9 editierte Kartoffeln - Stress- und Krankheitsresistenz

Viele Kartoffelbauern sind nahe der Verzweiflung. Nach Jahren mit extremen Witterungsbedingungen, zu viel Regen und großer Hitze die ausgedehnten Niederschläge in diesem Jahr führten zu einer explosionsartigen Ausbreitung der Kraut- und Knollenfäule. Für den einzelnen Bauern stellt das einen massiven finanziellen Verlust dar.

Die Genomeditierung von Kartoffeln kann möglicherweise Abhilfe schaffen. Neben einem schnelleren Züchtungsfortschritt ermöglichen sie – im Gegensatz zur herkömmlichen Kreuzungszüchtung – dass bewährte Sorten mit einer verbesserten Stress- und Krankheitsresistenz ausgestattet werden, ohne ihre übrigen vertrauten Anbau- und Verarbeitungseigenschaften zu verlieren. Damit können Kartoffeln auch widerstandsfähiger gegen Folgen des Klimawandels gemacht werden.

Parakletos - Kartoffel

Ein Forschungsteam um Erik Andreasson von der schwedischen Landwirtschaftsuniversität in Lomma berichtet gleich von zwei erfolgreichen Anwendungen der Genomeditierung bei Kartoffeln, die auf dem Feld zu verbesserter Resistenz gegen Phytophthora infestans, den Erreger der Kraut- und Knollenfäule, und gleichzeitig zu einer besseren Stressresistenz gegen Trockenheit und Salz führen. Das Team [1] identifizierte zunächst Proteine, deren Synthese in Kartoffelpflanzen durch Infektion mit einem pathogenen Bakterium stimuliert wurden. Einem der am stärksten induzierten Proteine (M1CUF4) mit einer zuvor unbekannten Funktion gaben sie den Namen „Parakletos“ (Beistand). Die Untersuchungen zeigten, dass die Überexpression von Parakletos sowohl Schwere und Biomasse der Infektion mit Phytophthora infestans erhöhte als auch die immunitätsbezogene Signalwege unterdrückte.

Eine gezielte Inaktivierung des Parakletos-Gens in Désirée-Kartoffeln mit CRISPR/Cas9 verbesserte die Resistenz gegen die Kraut- und Knollenfäule in mehrjährigen Feldversuchen deutlich. Beim Anbau ohne Einsatz von spezifischen Fungiziden gegen Phytophthora konnten die Erträge so um 20 Prozent gesteigert werden. Zugleich waren die Pflanzen auch resistenter gegen Alternaria-Pilze, sowie gegen Salz- und Dürrestress. Die Ergebnisse der Studie lassen den Schluss zu, dass der Verlust der Parakletos-Funktion in Pflanzen die Widerstandsfähigkeit gegenüber biotischen und abiotischen Stressfaktoren erhöht, ohne dass es zu signifikanten Unterschieden in den bekannten positiven Merkmalen.

StDMR6-1 - Kartoffel

Auch bereits zuvor von den Forschenden [2] im Labor erzeugte genomeditierte StDMR6-1 – Mutanten konnten ihre Phytophthora-Resistenz jetzt in vierjährigen Feldversuchen bestätigen*. Auch hier erstreckte sich die Resistenz auf weitere Krankheiten, wie den Kartoffelschorf (Streptomyces-Bakterien), die Dürrfleckenkrankheit (Alternaria-Pilze), sowie auf Salz- und Trockenstress. Offenbar gibt es einen Zusammenhang der Abwehrkräfte gegen unterschiedliche Stressfaktoren. Diesen wollen sich die Forschenden nun für die Züchtung robusterer Kartoffelsorten zunutze machen.

* siehe hier auch Freisetzungen und Anhang I: https://www.wggev.de/freisetzungen-gv-pflanzen-und-ngt-pflanzen-in-europa/

Quellen:

[1] Zahid, M.A., Kieu, N.P., Carlsen, F.M. et al. (2024): Enhanced stress resilience in potato by deletion of Parakletos.

Nat Commun 15, 5224 https://doi.org/10.1038/s41467-024-49584-4

Continued climate change impose multiple stressors on crops, including pathogens, salt, and drought, severely impacting agricultural productivity. Innovative solutions are necessary to develop resilient crops. Here, using quantitative potato proteomics, we identify Parakletos, a thylakoid protein that contributes to disease susceptibility. We show that knockout or silencing of Parakletos enhances resistance to oomycete, fungi, bacteria, salt, and drought, whereas its overexpression reduces resistance. In response to biotic stimuli, Parakletos-overexpressing plants exhibit reduced amplitude of reactive oxygen species and Ca²⁺ signalling, and silencing Parakletos does the opposite. Parakletos homologues have been identified in all major crops. Consecutive years of field trials demonstrate that Parakletos deletion enhances resistance to Phytophthora infestans and increases yield. These findings demark a susceptibility gene, which can be exploited to enhance crop resilience towards abiotic and biotic stresses in a low-input agriculture.

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49584-4

[2] Karlsson M., Kieu N.P, Lenman M., Marttila S. et al. (2024): CRISPR/Cas9 genome editing of potato StDMR6-1 results in

plants less affected by different stress conditions, Horticulture Research 11 (7), uhae130 | https://doi.org/10.1093/hr/uhae130

Potato is the third most important food crop, but cultivation is challenged by numerous diseases and adverse abiotic conditions. To combat diseases, frequent fungicide application is common. Knocking out susceptibility genes by genome editing could be a durable option to increase resistance. DMR6 has been described as a susceptibility gene in several crops, based on data that indicates increased resistance upon interruption of the gene function. In potato, Stdmr6-1 mutants have been described to have increased resistance against the late blight pathogen Phytophthora infestans in controlled conditions. Here, we present field evaluations of CRISPR/Cas9 mutants, in a location with a complex population of P. infestans, during four consecutive years that indicate increased resistance to late blight without any trade-off in terms of yield penalty or tuber quality. Furthermore, studies of potato tubers from the field trials indicated increased resistance to common scab, and the mutant lines exhibit increased resistance to early blight pathogen Alternaria solani in controlled conditions. Early blight and common scab are problematic targets in potato resistance breeding, as resistance genes are very scarce. The described broad-spectrum resistance of Stdmr6-1 mutants may further extend to some abiotic stress conditions. In controlled experiments of either drought simulation or salinity, Stdmr6-1 mutant plants are less affected than the background cultivar. Together, these results demonstrate the prospect of the Stdmr6-1 mutants as a useful tool in future sustainable potato cultivation without any apparent trade-offs.

https://academic.oup.com/hr/article/11/7/uhae130/7665698?login=true