Gatersleben, Germany
November 2, 2022
Typical yellow mosaics on the leaves of a barley plant infected with the BaMMV virus in the greenhouse (left) in direct comparison with a healthy plant (right).
Die typischen gelben Mosaike auf den Blättern infizierter Pflanzen bei einer im Gewächshaus mit dem Milden Gerstenmosaikvirus infizierten Gerstenpflanze (links) im Vergleich zu einer gesunden Pflanze (rechts). Fotos: IPK Leibniz-Institut/ R. Hoffie
Genome editing comes with great hopes for the improvement of crops in regards to the challenges posed by climate change, but also for breeding of disease resistance and an improved sustainability of agriculture. A research team led by the IPK Leibniz Institute has now succeeded in modifying a gene in barley using the Cas9 gene scissors, making new resistances to important viruses available for winter barley. The results were published today in the renowned "Plant Biotechnology Journal".
Besides fungi and insects, viruses are also serious pathogens of crops. In the case of cereals, viruses that are transmitted to the plants via microorganisms in the soil are becoming increasingly important. For barley, these are mainly the barley yellow mosaic virus (BaYMV) and the barley mild mosaic virus (BaMMV). Both are transmitted to young seedlings of winter barley in autumn and can cause yield losses of up to 50 percent.
Resistance breeding plays an essential role to cope with these pathogens. Although almost all current European winter barley varieties are resistant to these viruses, some virus strains have already overcome this widely used resistance through genetic adaptation, so that a broad breakthrough of the natural defences is only a matter of time. Given the tediousness of breeding measures, there is an urgent need to identify new sources of resistance and deploy them to breeding in an accelareted manner.
In search of such new resistances, a research team led by the IPK Leibniz Institute screened material from the Institute's gene bank. In 2014, they found what they were looking for in old landraces and wild relatives of cultivated barley. "These investigations have shown that the PDIL5-1 gene, which is involved in the formation of 3-dimensional protein structures, also plays a central role in the resistance of plants to viruses," explains Robert Hoffie from the "Plant Reproductive Biology" research group. This is a so-called susceptibility factor host-dependent viruses utilise to reproduce themselves in the plant tissue. "A decisive finding for us was that resistant gene bank material contained variants of the PDIL5-1 gene that had lost their function through mutation and hence can no longer be used by the virus " says the IPK scientist and first author of the study.
However, crossing such resistance-mediating gene variants into the existing breeding material of European winter barley is laborious and time-consuming. "Therefore, we used the Cas9 gene scissors to switch off the PDIL5-1 gene in two susceptible barley varieties by targeted mutagenesis, thus achieving success much faster and without any additional genetic changes in the barley varieties," says Robert Hoffie. The results were more than promising; "the targeted plants were resistant to barley mosaic virus (BaMMV) infection in the greenhouse trial and there were no negative effects on growth or yield."
"The study exemplifies how we can take advantage of our gene bank material for plant breeding today with extremely efficient and precise biotechnological tools such as the Cas9 gene scissors," comments Dr. Jochen Kumlehn, head of the study and head of the "Plant Reproductive Biology" research group. At the same time, the new findings also open up further perspectives of research. For example, we assume that the modification of PDIL genes may also lead to virus resistance in other plant species.
Original publication:
Hoffie et al. (2022): Novel resistance to the Bymovirus BaMMV established by targeted mutagenesis of the PDIL5-1 susceptibility gene in barley.
Plant Biotechnology Journal.
DOI: https://doi.org/10.1111/pbi.13948
IPK-Forscher nutzen Genschere Cas9 zur Etablierung neuer Resistenzen von Wintergerste gegen Viren
Mit der Genom-Editierung verbinden sich große Hoffnungen bei der züchterischen Verbesserung von Kulturpflanzen mit Blick auf die Herausforderungen durch den Klimawandel, aber auch in Bezug auf Krankheitsresistenzen und eine nachhaltigere Landwirtschaft. Einem Forschungsteam unter Führung des IPK Leibniz-Institutes ist es nun gelungen, ein Gen in der Gerste mit der Genschere Cas9 so zu verändern, dass für die Wintergerste neue Resistenzen gegen bedeutende Viren zur Verfügung stehen. Die Ergebnisse wurden heute im renommierten „Plant Biotechnology Journal“ veröffentlicht.
Neben Pilzen und Insekten sind auch Viren ernstzunehmende Schaderreger bei Kulturpflanzen. Bei Getreiden kommt solchen Viren eine wachsende Bedeutung zu, die über Mikroorganismen im Boden auf die Pflanzen übertragen werden. Im Fall der Gerste
sind das vor allem das Gerstengelbmosaikvirus (BaYMV) und das Milde Gerstenmosaikvirus (BaMMV). Beide werden im Herbst auf die jungen Keimlinge der Wintergerste übertragen und können Ertragsverluste bis zu 50 Prozent verursachen. Die Resistenzzüchtung spielt eine wichtige Rolle im Kampf gegen diese Erreger. Zwar sind fast alle aktuellen Wintergerstensorten resistent gegen diese Viren, einige Virusstämme konnten die bestehenden Resistenzen durch genetische Anpassungen jedoch bereits überwinden, so dass ein breites Durchbrechen der natürlichen Abwehr nur noch eine Frage der Zeit ist. Angesichts der Langwierigkeit züchterischer Maßnahmen besteht daher ein dringender Bedarf, neue Resistenzquellen zu identifizieren und über
beschleunigte Verfahren für die Züchtung zu erschließen.
Auf der Suche nach solchen neuen Resistenzen hat ein Forschungsteam unter Führung des IPK Leibniz-Institutes Material aus der Genbank des Institutes untersucht. In einigen der alten Landrassen und wilden Verwandten der Kulturgerste wurden sie dabei 2014 fündig. „Diese Untersuchungen haben ergeben, dass das Gen PDIL5-1, das an der Entstehung 3-dimensionaler Proteinstrukturen beteiligt ist, auch eine zentrale Rolle für die Resistenz von Pflanzen gegen diese Viren spielt“, erklärt Robert Hoffie aus der
Arbeitsgruppe „Pflanzliche Reproduktionsbiologie“. Dabei handelt es sich um einen sogenannten Anfälligkeitsfaktor der Gerste. Diesen nutzen die vom Wirt abhängigen Viren, um sich im Pflanzengewebe zu vermehren. „Eine entscheidende Erkenntnis für
uns war, dass resistentes Genbankmaterial Varianten des PDIL5-1-Gens enthielt, die durch Mutationen ihre Funktion verloren hatten und so nicht mehr von den Viren für ihre Vermehrung benutzt werden konnte“, sagt der IPK-Wissenschaftler und Erstautor der
Publikation.
Das Einkreuzen solcher Resistenz-vermittelnder Genvarianten in das vorhandene Zuchtmaterial der europäischen Wintergersten ist allerdings mühsam und zeitaufwendig. „Daher haben wir die Genschere Cas9 genutzt, um das PDIL5-1 Gen in zwei anfälligen
Gerstensorten durch gezielte Mutagenese genau wie in den resistenten Landrassen auszuschalten und auf diese Weise deutlich schneller und ohne darüber hinausgehende genetische Veränderungen in den Gerstensorten zum Erfolg zu kommen“, sagt Robert
Hoffie. Die Ergebnisse waren mehr als vielversprechend. „Die gezielt veränderten Pflanzen waren im Gewächshausversuch nicht nur resistent gegen eine Infektion mit dem Gerstenmosaikvirus (BaMMV), sondern es gab auch keine negativen Auswirkungen
auf Wachstum und Ertrag.“
„Die Studie zeigt beispielhaft, wie wir das Material der Genbank heute mit überaus effizienten und präzisen biotechnologischen Werkzeugen wie der Genschere Cas9 für die Pflanzenzüchtung nutzen können“, kommentiert Dr. Jochen Kumlehn, Leiter der
Studie und Leiter der Arbeitsgruppe „Pflanzliche Reproduktionsbiologie“. Zugleich öffnen sich mit den neuen Erkenntnissen auch weitere Forschungsansätze. So ist davon auszugehen, dass die Veränderung von PDIL-Genen auch in anderen Pflanzenarten zu
Virusresistenzen führen kann.
Originalpublikation:
Hoffie et al. (2022): Novel resistance to the Bymovirus BaMMV established by targeted mutagenesis of the PDIL5-1 susceptibility gene in barley. Plant Biotechnology Journal.
DOI: https://doi.org/10.1111/pbi.13948
Topics
Species
