Düsseldorf, Germany
November 4, 2020
The “Healthy Crops” project, headed by Alexander-von-Humboldt Professor Wolf B. Frommer from Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU), has developed a strategy to combat “bacterial leaf blight” (BLB), one of the most devastating rice diseases in large parts of Asia and Africa. BLB has significant impact on small scale producers in low and middle-income countries. The recent extension of the project funding is accompanied by the introduction of new scientific partners, in particular from ICAR institutes in India and IRRI partners from Kenya and the Donald Danforth Plant Science Center. The project’s mission is to deliver BLB-resistant rice lines to smallholders in Asia and Africa.
Bacterial leaf blight infected rice field in Telangana, India -© Yugander Arra
Healthy rice plants in Telangana, India - © Yugander Arra
The “Healthy Crops” team, funded by the Bill & Melinda Gates Foundation, started in 2012 with the concept of generating rice variants resistant to “bacterial leaf blight”, thereby providing an effective and sustainable solution for yield losses especially for small scale producers in developing countries. The team has already successfully generated BLB-resistant rice lines and created a diagnostic toolbox that enables a rapid disease diagnosis of the newly occurring pathogenic bacterial strains (both published in 2019 in Nature Biotechnology).
Rice is the world’s most important staple food for around 4 billion people worldwide and is mainly cultivated by small scale producers in low and middle-income countries. BLB, caused by the bacteria Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (Xoo), is a major problem in the cultivation of rice and can result in yield losses of up to 70 percent. Infection causes wilting, desiccation of leaves and subsequently in the death of the plants. This has a massive impact on the smallholder’s economic stability. A problem that Ashok K. Singh, the director of the ICAR-IARI in India knows very well: “Bacterial blight is one of the most serious rice diseases in India and other parts of the world. The yield losses in India vary from 15-20 % annually and can reach up to 40 % in case of severe infection in susceptible varieties. Healthy Crops has developed highly valuable rice variants resistant to BLB. To defeat the disease, we aim to introduce the resistance into the elite mega rice varieties of India.”
The original consortium coordinated through the Heinrich-Heine-University (HHU) includes five research institutes on four continents: The University of Florida and University of Missouri in the USA, the International Center for Tropical Agriculture (CIAT) in Colombia, the Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in France and the International Rice Research Institute (IRRI) in the Philippines are involved in the project. Four important research institutions were added in 2020, from India, Kenya and the USA. Healthy Crops will now be strengthened by two institutions of the Indian Council of Agricultural Research (ICAR), the Indian Agricultural Research Institute (IARI) and the National Rice Research Institute (NRRI) in India, the African IRRI branch in Nairobi, as well as the Donald Danforth Plant Science Center.
The mechanism by which Xoo gains access to the plant’s nutrition was the key in the development of their strategy. Once infected, Xoo injects a set of proteins, the so-called TAL-effectors, into the host cell. The TAL-effectors bind to the regulatory domains of SWEET sugar efflux transporter genes, thereby inducing the release of sugars from the infected rice cells. The Xoo bacteria use the released sugar as energy source for their own replication.
Interestingly, in the past, Japanese breeders found that some natural rice varieties were resistant to certain Xoo strains. The SWEET promoter cannot be recognized by the TAL-effectors in these varieties. This prevents the bacteria from forcing sugar secretion, resulting in Xoo resistant rice plants.
These findings enabled the consortium to introduce resistant rice varieties, which will help smallholder farmers worldwide in their fight against bacterial blight. “Rice production and consumption in Sub-Saharan Africa is showing an unprecedented increase over the past decades. At the same time, bacterial plant diseases are expanding rapidly in the rice producing areas. The development of resistant varieties, ahead of the evolution of new pathogenic strains, will lead to stable production and protect smallholder farmers from yield losses”, explains Abdelbagi Ismail, the IRRI representative for Africa.
The expansion of the team and the integration of the new international partners enables Healthy Crops to pave the way towards development of new BLB-resistant rice varieties. The project is strictly non-profit, aiming to improve the livelihood and income of small-scale producers and farmers around the world.
This research is supported by funds from the Bill & Melinda Gates Foundation to HHU.
For further information visit www.healthycrops.org
Pflanzenbiologie: Healthy-Crops-Projekt - HHU-geführte Forschung mit neuen Partnern im Kampf gegen verheerende Reiskrankheit
Das Projekt „Healthy Crops“ unter der Leitung von Alexander-von-Humboldt-Professor Wolf B. Frommer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat eine Strategie zur Bekämpfung der „Weißblättrigkeit“ („bacterial leaf blight” - BLB) entwickelt. Dabei handelt es sich um eine der verheerendsten Reiskrankheiten in weiten Teilen Asiens und Afrikas. BLB hat erhebliche Auswirkungen auf Kleinbauern in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen. Die jüngste Erweiterung der Projektfinanzierung geht einher mit der Einführung neuer wissenschaftlicher Partner, insbesondere von ICAR-Instituten in Indien, IRRI-Partnern aus Kenia und dem Donald Danforth Plant Science Center. Aufgabe des Projekts ist, BLB-resistente Reislinien an Kleinbauern in Asien und Afrika zu liefern.
Das von der Bill & Melinda Gates Foundation finanzierte „Healthy Crops“-Team begann 2012 mit dem Plan, Reisvarianten zu erzeugen, die gegen die Weißblättrigkeit resistent sind. Damit soll eine wirksame und nachhaltige Lösung im Kampf gegen Ertragsverluste insbesondere für Kleinproduzenten in Entwicklungsländern gefunden werden. Das Team hat bereits erfolgreich BLB-resistente Reislinien erzeugt und einen diagnostischen Werkzeugkasten geschaffen, der eine schnelle Diagnose neu auftretender pathogener Bakterienstämme ermöglicht. Zu beiden Entwicklungen gab es 2019 Publikationen in Nature Biotechnology.
Reis ist für rund vier Milliarden Menschen weltweit das wichtigste Grundnahrungsmittel; er wird hauptsächlich von Kleinproduzenten in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen angebaut. Die Weißblättrigkeit, verursacht durch das Bakterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (Xoo), ist ein großes Problem beim Anbau von Reis und führt oft zu Ertragseinbußen von bis zu 70 Prozent. Die Infektion führt zum Welken und Austrocknen der Blätter; in der Folge sterben die Pflanzen ab. Dies wirkt sich massiv auf die wirtschaftliche Stabilität der Kleinbauern aus. Ein Problem, das Ashok K. Singh, der Direktor des Indian Agricultural Research Institute in Indien, sehr gut kennt: „Weißblättrigkeit ist eine der schwersten Reiskrankheiten in Indien und anderen Teilen der Welt. Die Ertragseinbußen in Indien schwanken zwischen 15 und 20 Prozent jährlich und können im Falle einer schweren Infektion bei anfälligen Sorten bis zu 40 Prozent betragen. Healthy Crops hat sehr wertvolle Reisvarianten entwickelt, die gegen Weißblättrigkeit resistent sind. Um die Krankheit zu besiegen, wollen wir die Resistenz auch in die Elite-Mega-Reissorten Indiens einführen.“
Das ursprünglich von der HHU koordinierte Konsortium umfasste fünf Forschungsinstitute auf vier Kontinenten: Beteiligt sind die University of Florida und die University of Missouri in den USA, das International Center for Tropical Agriculture (CIAT) in Kolumbien, das Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in Frankreich und das International Rice Research Institute (IRRI) auf den Philippinen. Im Jahr 2020 sind vier wichtige Forschungseinrichtungen aus Indien, Kenia und den USA hinzugekommen. Healthy Crops wird nun von zwei Institutionen des Indian Council of Agricultural Research (ICAR) – dem Indian Agricultural Research Institute (IARI) und dem National Rice Research Institute (NRRI) in Indien –, der afrikanischen IRRI-Niederlassung mit Sitz in Nairobi sowie vom Donald Danforth Plant Science Center unterstützt.
Der Mechanismus, durch den Xoo Zugang zu den Nährstoffen der Pflanze erhält, war der Schlüssel bei der Entwicklung der Forschungsstrategie. Einmal infiziert, injiziert Xoo eine Reihe von Proteinen in die Zelle, die so genannten TAL-Effektoren. Diese binden an die regulatorischen Domänen der „SWEET“ Zucker-Transporter-Gene und induzieren dadurch die Freisetzung von Zucker aus den infizierten Reiszellen. Anschließend nutzen die Xoo-Bakterien den freigesetzten Zucker als Energiequelle für ihre eigene Replikation.
Interessanterweise hatten japanische Züchter in der Vergangenheit festgestellt, dass einige natürliche Reissorten gegen bestimmte Xoo-Stämme resistent sind. Der SWEET-Promotor kann bei diesen Sorten nicht mehr durch den TAL-Effektor erkannt werden. Dies hindert die Bakterien am Erzwingen der Zuckersekretion, was schließlich zu Xoo-resistenten Reispflanzen führt.
Diese Erkenntnisse ermöglichten es dem Konsortium, resistente Reissorten einzuführen, die den Kleinbauern weltweit in ihrem Kampf gegen die Bakterienkrankheit helfen werden. „Die Reisproduktion und der Reisverbrauch in Afrika südlich der Sahara erfuhren in den letzten Jahrzehnten einen beispiellosen Anstieg. Gleichzeitig nahmen bakterielle Pflanzenkrankheiten in neuen Reisanbaugebieten rasch zu. Die Entwicklung resistenter Sorten, die der Etablierung neuer pathogener Stämme vorausgeht, wird eine stabile Produktion begünstigen und die Kleinbauern vor Ertragsverlusten schützen", erklärt Abdelbagi Ismail, der IRRI-Vertreter für Afrika.
Das erweiterte Team und die Integration der neuen internationalen Partner ermöglichen es Healthy Crops, den Weg zur Entwicklung neuer resistenter Reissorten zu ebnen. Das Projekt ist ausschließlich gemeinnützig und zielt darauf ab, den Lebensunterhalt und das Einkommen von Kleinproduzenten und Landwirten auf der ganzen Welt zu verbessern.
Diese Forschungsarbeiten wurde durch die Finanzierung der HHU durch die Bill & Melinda Gates Foundation ermöglicht.
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