Dusseldorf, Germany
October 28, 2019
Biology: 2 publications in Nature Biotechnology
Rice terraces in Sapa, Vietnam: Rice is the world's most important food plant, playing a vital role for nutrition in Asia and Africa in particular. In those countries, rice is generally grown by small farmers. If their fields are infected by bacterial blight, their very existence is threatened. - Credit : HHU / Sarah M. Schmidt
Rice is the number one staple food for the world's poorest and undernourished people. More than half of the world's population eats rice every day. In sub-Saharan Africa, rice is the fastest growing food source that provides more food calories than any other crop. One dangerous threat to food security, is the rice disease "bacterial blight", caused by the bacterium Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). The annual losses caused by bacterial blight are estimated at 3.6 billion US dollars in India alone. Xoo can destroy a smallholder's entire annual harvest, putting their food supply, income and land ownership at risk.
Healthy Crops aims to provide these farmers with effective tools to combat bacterial blight and thus eliminate the epidemic in the long term. The consortium is comprised of six research institutions on three continents, including two universities in the USA (U. of Florida and U. Missouri), the International Centre for Tropical Agriculture (CIAT) in Columbia, the Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in France and the International Rice Research Institute (IRRI) in the Philippines.
So how did the team manage to rein in the bacteria? "We limit the ability of the noxious Xoo bacterium to divide by preventing it from hijacking the plants resources as food supply", explains Dr. Bing Yang from the University of Missouri. To understand this, they used their knowledge of how Xoo bacteria accesses the host's nutrients. Once Xoo infects a rice plant, it secretes proteins, the so-called 'TAL effectors' into the rice cell. TAL effectors act as keys that open the pantry by turning on the host's SWEET genes, which then export sugar from the rice cells and make it available to the bacteria which live in the cell wall space. The bacteria then have enough resources to multiply.
Some rice varieties are resistant against some specific types of Xoo bacteria. The team had previously determined that these varieties contain variants of the SWEET promoter, which do not allow binding of the bacterial TAL effectors. The plants changed the lock, thus the bacteria cannot activate the SWEET transporters and manipulate sugar transport for their own benefit.
In turn the bacterium can adapt: different strains of Xoo attack with different keys. There is a race between Xoo strains developing new keys on the one hand and resistant rice varieties with altered locks on the other. The consortium identified six different points of attack in the SWEET promoters. Wolf B. Frommer, the project leader, said: "With the knowledge gained and the tools developed here, we might be at least as fast in developing new resistances as the bacteria can develop new keys."
In two back-to-back publications in the journal Nature Biotechnology, Healthy Crops present a series of variants for two popular rice varieties that are resistant to a large collection of different bacterial strains that cause 'bacterial blight disease' collected from all over the world. It also describe the 'SWEETR-RESISTANCE KIT' that enables rapid characterization of new bacterial strains to devise a rapid and well-targeted deployment strategy of new resistances to defeat the disease also in the long term.. This kit should soon be available to rice growers and researchers in Asia and sub-Saharan Africa.
Dr. Boris Szurek, the team leader from IRD, explains: "We used the most advanced tools to get one step ahead of the pathogen in its arm's race with the rice plant." According to lead author Dr. Ricardo Oliva, who heads the IRRI team: "It is an exciting time to work on rice breeding for disease resistance. Our findings pave the way for the eradication of diseases that have severely affected the lives of smallholder farmers who depend on rice for their livelihood. It is now even more possible to outsmart the enemy by being a step ahead of it."
This research has been made possible by funding to HHU from the Bill & Melinda Gates Foundation.
Further information: http://www.healthycrops.org
Original publications
Ricardo Oliva, Chonghui Ji, Genelou Atienza-Grande, José C. Huguet-Tapia, Alvaro Perez-Quintero, Ting Li, Joon-Seob Eom, Chenhao Li, Hanna Nguyen , Bo Liu, Florence Auguy, Coline Sciallano, Van T. Luu, Gerbert S. Dossa, Sébastien Cunnac, Sarah M. Schmidt, Inez H. Slamet-Loedin, Casiana Vera Cruz, Boris Szurek, Wolf B. Frommer, Frank F. White and Bing Yang, Broad-spectrum resistance to bacterial blight in rice using genome editing, Nature Biotechnology, 28.10.2019 DOI: 10.1038/s41587-019-0267-z
Joon-Seob Eom, Dangping Luo, Genelou Atienza-Grande, Jungil Yang, Chonghui Ji, Van Thi Luu, José C. Huguet-Tapia, Si Nian Char, Bo Liu, Hanna Nguyen, Sarah Maria Schmidt, Boris Szurek, Casiana Vera Cruz, Frank F. White, Ricardo Oliva, Bing Yang and Wolf B. Frommer, Diagnostic kit for rice blight resistance, Nature Biotechnology, 28.10.2019 DOI: 10.1038/s41587-019-0268-y
HHU-geführtes Forschungskonsortium will gefährliche Pflanzenseuche beim Reis ausrotten
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Biologie: Zwei Veröffentlichungen in Nature Biotechnology
Das „Healthy Crops“-Forschungskonsortium, das von Humboldt-Professor Wolf B. Frommer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) geleitet wird, entwickelt Werkzeuge, um Bakterienbrand von Reis zu bekämpfen. In der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Biotechnology veröffentlichen sie zwei Studien, in denen sie sowohl neue, multiresistente Reissorten vorstellen als auch ein Diagnose-Kit, um neue Varianten des Krankheitserregers zu erkennen. Dieses Kit wurde speziell für Kleinbauern in Südasien und Afrika entwickelt.
Reis ist die wichtigste Nahrungspflanze für die ärmsten und unterernährten Menschen. Mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung isst jeden Tag Reis. Im Afrika südlich der Sahara ist Reis die Nahrungsquelle, die am schnellsten wächst und mehr Kalorien liefert als irgendein anderes Nahrungsmittel. Eine große Bedrohung für Nahrungsmittelsicherheit ist die Reiskrankheit „Bakterienbrand“, die von dem Bakterium Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) verursacht wird. Allein in Indien schätzt man die jährlichen Verluste durch Bakterienbrand auf 3,6 Milliarden US-Dollar. Xoo kann den gesamten Ernteertrag eines Kleinbauern zerstören, wodurch Jahreseinkommen, Landbesitz und Nahrungsmittelsicherheit für die ganze Familie bedroht werden.
Healthy Crops will diesen Bauern wirkungsvolle Werkzeuge für den Kampf gegen Bakterienbrand in die Hand geben und damit langfristig die Krankheit ausrotten. Das Konsortium besteht aus sechs Forschungsinstituten auf drei Kontinenten, darunter neben der HHU die University of Florida und University of Missouri in den USA, das Tropenzentrum für Agrarforschung (CIAT) in Kolumbien, das Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in Frankreich und das Internationale Institut für Reisforschung (IRRI) auf den Philippinen.
Wie schaffte es also das Team, die Bakterien in ihre Schranken zu weisen? „Wir verhindern, dass das Xoo-Bakterium Nährstoffe von der Pflanze rauben kann, um sich zu vermehren“, erklärt Dr. Bing Yang von der University of Missouri. Hierzu nutzen die Forscher ihr Wissen darüber, wie sich die Bakterien Zugang zu den Nährstoffen der Reispflanze verschaffen. Haben die Xoo-Bakterien eine Reispflanze befallen, schleusen sie sogenannte TAL-Effektoren in die Reiszelle. Diese Effektoren funktionieren wie Schlüssel für die pflanzliche Vorratskammer, indem sie die „SWEET-Gene“ der Reispflanze aktivieren. Dadurch werden sogenannte SWEET-Promotoren aktiviert, die Zucker aus der Reiszelle heraus transportieren, hin zu den Bakterien, die so mit Nährstoffen versorgt werden und sich vermehren können.
Manche Reissorten sind resistent gegen bestimmte Xoo-Stämme. Die Wissenschaftler hatten bei diesen Sorten schon früher herausgefunden, dass deren SWEET-Promotoren Änderungen enthalten, die verhindern, dass die bakteriellen TAL-Effektoren binden können. Diese Pflanzen haben also quasi ihr Schloss so geändert, dass der bakterielle Schlüssel nicht mehr passt. Die Bakterien können so die SWEET-Transporter nicht mehr aktivieren, um den Zuckertransport zu ihren Gunsten umzusteuern.
Aber auch das Bakterium weiß sich anzupassen: Es gibt unterschiedliche Xoo-Stämme, die jeweils mit anderen Schlüsseln angreifen. Somit gibt es ein regelrechtes Rennen zwischen Xoo-Stämmen, die neue Schlüssel entwickeln und resistenten Reissorten mit geänderten Schlössern. Das Konsortium hat sechs verschiedene Angriffspunkte in den Promotoren von drei verschiedenen SWEET-Genen identifiziert. Wolf Frommer, Alexander von Humboldt-Professor am Institut für Molekulare Physiologie der HHU, der das Konsortium leitet, sagt: „Mit diesem Wissen und den Werkzeugen, die wir entwickelt haben, können wir mindestens so schnell neue resistente Reissorten entwickeln wie die Bakterien neue Schlüssel.“
In den beiden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Biotech erschienenen, aufeinander aufbauenden Studien stellt das Healthy Crops-Konsortium unterschiedliche Varianten zweier populärer Reissorten vor, die alle resistent sind gegen verschiedene Erreger des Bakterienbrands. Außerdem präsentieren sie das diagnostische „SWEETR-RESISTANCE KIT“, dass die schnelle Charakterisierung von neuen bakteriellen Krankheitserregern ermöglicht. Es ebnet somit den Weg für den schnellen und zielgerichteten Einsatz neuer Resistenzen, um den Bakterienbrand langfristig auszurotten. Das Kit soll bald Reisbauern und Forschern in Asien und Afrika zur Verfügung stehen.
Dr. Boris Szurek, Teamleiter am IRD, erklärt: „Wir nutzen die fortschrittlichsten Werkzeuge, um dem Pathogen in seinem Rennen mit der Reispflanze einen Schritt voraus zu sein.“ Dr. Ricardo Oliva, Erstautor und Leiter des IRRI Teams, ergänzt: „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg, um diese Krankheit, die das Leben vieler Reisbauern massiv beeinträchtigt, komplett auszurotten. Wir haben jetzt die Möglichkeit, das Bakterium auszutricksen, in dem wir ihm einen Schritt voraus sind.“
Diese Forschungen wurden durch Förderung der HHU durch die Bill & Melinda Gates-Stiftung ermöglicht.
Weitere Informationen: www.healthycrops.org
Originalpublikation:
R. Oliva, Chonghui Ji, G. Atienza-Grande, J. C. Huguet-Tapia, A. Perez-Quintero, Ting Li, Joon-Seob Eom, Chenhao Li, H. Nguyen , Bo Liu, F. Auguy, C. Sciallano, Van T. Luu, G. S. Dossa, S. Cunnac, S. M. Schmidt, I. H. Slamet-Loedin, C.Vera Cruz, B. Szurek, W. B. Frommer, F. F. White & Bing Yang, Broad-spectrum resistance to bacterial blight in rice using genome editing, NatBiotech, 28.10.2019
Joon-Seob Eom, Dangping Luo, G. Atienza-Grande, Jungil Yang, Chonghui Ji, Van Thi Luu, J. C. Huguet-Tapia, Si Nian Char, Bo Liu, H. Nguyen, S. M. Schmidt, B. Szurek, C. Vera Cruz, F. F. White, R. Oliva, Bing Yang & W. B. Frommer, Diagnostic kit for rice blight resistance, NatBiotech, 28.10.2019
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1038/s41587-019-0267-z
http://dx.doi.org/10.1038/s41587-019-0268-y
http://www.healthycrops.org
Topics
Species
