Germany and France
June 20, 2023
The “Healthy Crops” international research consortium led by Professor Dr Wolf B. Frommer from Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) is developing disease-resistant rice varieties. In the scientific journal eLife, the authors now report on the discovery of a recent bacterial outbreak in Tanzania – and describe how they modified an African rice variety to make it resistant to the pathogen.
Rice field infected with bacterial blight in Dakawa. The wilting and desiccation of the leaves results in significantly reduced yield for the small-scale food producers.
Ein mit Weißblättrigkeit infiziertes Reisfeld in Dakawa. Das Welken und Austrocknen der Blätter führt zu erheblichen Ernteverlusten für kleine Lebensmittelproduzenten (Foto: Mohammed Mkuya, Rosemary Murori)
Bacterial blight of rice, which is caused by the bacterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (Xoo for short), is responsible for devastating crop losses among rice farmers every year. It above all threatens the livelihoods of small-scale farmers in Asia and Africa, and accounts for malnutrition and famine in the affected regions.
Although bacterial blight was not considered a major threat to rice production in Tanzania until now, in 2019 fields were detected in the Morogoro region in east Tanzania that showed in part severe damage by the disease. Subsequent surveys further indicated that the pathogen had already spread to many regions of Tanzania by now. Based on the rapid spread, it is not unlikely that the disease will also migrate to neighbouring countries. To determine the arsenal used by this strain, the pathogen’s genome was sequenced. The analysis of the sequences showed that the bacteria are distinct from the native populations in Africa and are highly similar to strains from Asia. Similar to the Asian strains, but different from the African ones, they have one tool that blocks a common rice resistance gene, called iTAL, and they possess a particular set of keys to the plants’ pantry. Injection of a regulatory “key” protein, developed by these bacteria, into rice cells turns on the production of a sugar transporter named SWEET11a that leads to the release of sugar in the neighbourhood of the bacteria, which can serve for nutrition and is needed for multiplication and virulence of the bacteria.
According to Dr Boris Szurek, who heads the group involved in the study at the French national research institute for sustainable development (IRD): “Until 2019, strains from Asia were never found in Africa. Similarly, African strains were not found in Asia, pointing to a recent introduction from Asia into Africa, which is now causing yield losses across Tanzania.”
Professor Dr Wolf B. Frommer from the Institute of Molecular Physiology at HHU, who heads the international research consortium "Healthy Crops", explains: “To protect African rice production from the emerging threat by the pathogenic bacteria, we have used new breeding techniques to exchange the locks in the popular East African elite variety “Komboka” so that the pathogen’s key cannot open the pantry anymore and thus, not cause the disease. The edited lines show broad-spectrum resistance against all known Asian and African strains of Xoo, including the strains recently discovered in Tanzania.”
Co-author Professor Dr Bing Yang from the University of Missouri in Columbia, USA adds: “We intend to help African scientists with these discoveries and use new breeding methods to develop locally adapted disease-resistant rice varieties. The knowledge can also be used to inform conventional breeding of varieties resistant to the rapidly spreading strains for those countries that have not yet established regulations for new breeding techniques.”
Nahaufnahme eines mit Xoo infizierten Reisblatts. Das Bakterium breitet sich durch das Blatt aus und verursacht diese typischen Läsionen. (Foto: Mohammed Mkuya, Rosemary Murori)
Background: bacterial blight of rice
Rice production is vital for food security, regional development and poverty alleviation in many countries, especially developing ones. Around 900 million people from low-income households worldwide currently rely on rice production as producers or consumers. Rice is the most important staple food for more than four billion people worldwide.
Bacterial blight is a devastating rice disease that threatens the livelihoods of small-scale, low-income food producers in Africa and Asia in particular. In India for example, almost ten percent of harvests are lost to this disease every year – and that despite effective protective measures. The new rice lines developed could prevent these yield losses and thus provide rice for many millions of people, who would be at risk of famine otherwise.
The disease is caused by the bacterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (Xoo for short). During infection, Xoo introduces a series of proteins called TAL effectors into the plant cells, which bind to the host genome and activate the expression of plant genes, thereby promoting the production of sucrose transporters from the “SWEET” family. Once the SWEETs are integrated into the plasma membrane, the cells secrete a large amount of sugar which the Xoo bacteria then feed on. This in turn leads to wilting and desiccation of the leaves and eventually to the death of the rice plants.
“Healthy Crops” project
Pesticides are often used to combat Xoo, however their effectiveness is limited and they expose the population to risks. The “Healthy Crops” non-profit international research project is taking a different approach, with the aim of breeding and making rice lines available that are resistant to the disease. This is expected to significantly increase yields for small-scale food producers in Africa and Asia.
The project is an international consortium involving scientists from HHU, the University of Florida and University of Missouri in the USA, the International Centre for Tropical Agriculture in Colombia (CIAT), the French national research institute for sustainable development (IRD), the International Rice Research Institute (IRRI) in the Philippines and Kenya, and two institutes of the Indian Council of Agricultural Research (ICAR). The project is led by Professor Wolf B. Frommer, who is based at HHU; Dr Marcel Buchholzer is responsible for coordination of the project in Düsseldorf.
To achieve its goals, the consortium has developed a strategy to combat bacterial blight. The team has already successfully bred disease-resistant rice lines. A diagnostics toolbox has additionally been developed to enable the rapid diagnosis of emerging pathogenic bacterial strains.
HHU is supported in the Healthy Crops project by the Bill & Melinda Gates Foundation grant ID INV-008733.
Original publication:
Van Schepler-Luu, Coline Sciallano, Melissa Stiebner, Chonghui Ji, Gabriel Boulard, Amadou Diallo, Florence Auguy, Si Nian Char, Yugander Arra, Kyrylo Schenstnyi, Marcel Buchholzer, Eliza P.I. Loo, Atugonza L. Bilaro, David Lihepanyama, Mohammed Mkuya, Rosemary Murori, Ricardo Oliva, Sebastien Cunnac, Bing Yang, Boris Szurek, Wolf B. Frommer, Genome editing of an African elite rice variety confers resistance against endemic and emerging Xanthomonas oryzae pv. oryzae strains. eLife, 20.06.2023.
DOI: 10.7554/eLife.84864
More information:
http://www.healthycrops.org
Resistente Reissorten gegen Ausbruch einer bakteriellen Erkrankung in Afrika
Das internationale Forschungskonsortium „Healthy Crops“ unter Leitung von Prof. Dr. Wolf B. Frommer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) befasst sich mit der Entwicklung krankheitsresistenter Reissorten. In der Fachzeitschrift eLife berichten die Autorinnen und Autoren jetzt von der Entdeckung einer jüngst in Tansania ausgebrochenen Bakterieninfektion – und beschreiben, wie sie eine afrikanische Reissorte so verändert haben, dass sie gegen den Erreger resistent ist.
Die bakterielle Reiskrankheit Weißblättrigkeit, die vom Bakterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (kurz Xoo) ausgelöst wird, ist alljährlich für große Ernteverluste bei Reisbauern verantwortlich. Sie bedroht vor allem die Existenz von Kleinbauern in Asien und Afrika und führt zur Mangelernährung und Hungersnöten in den betroffenen Regionen.
Die Weißblättrigkeit galt bisher nicht als große Bedrohung für den Reisanbau in Tansania, aber 2019 wurden Felder in der Region Morogoro im Osten des Landes entdeckt, die zum Teil gravierende Schäden durch die Krankheit aufwiesen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass sich der Erreger inzwischen in vielen Regionen Tansanias ausgebreitet hat. Angesichts der raschen Ausbreitung ist es nicht unwahrscheinlich, dass die Krankheit auch auf die Nachbarländer übergreifen wird.
Um das „Arsenal“ zu ermitteln, das von diesem Bakterienstamm zur Infizierung des Reises verwendet wird, wurde das Genom des Erregers sequenziert. Die Analyse der Sequenzen zeigte, dass sich die Bakterien von den in Afrika beheimateten Stämmen klar unterscheiden und denen aus Asien sehr ähnlich sind.
Ähnlich wie die asiatischen Stämme, aber anders als die afrikanischen, verfügen diese Bakterien über die Fähigkeit, ein häufig vorkommendes Reisresistenzgen namens iTAL zu blockieren, sowie eine Reihe von „Schlüsseln“ für die „Speisekammer“ der Pflanze. Die Injektion eines von den Bakterien entwickelten, regulatorischen „Schlüssel“-Proteins in Reiszellen aktiviert die Produktion eines Zuckertransporters namens SWEET11a. Dies führt zur Freisetzung von Zucker in der Umgebung der Bakterien, der wiederum zu ihrer Ernährung dienen kann und für die Vermehrung und Virulenz der Bakterien benötigt wird.
Dr. Boris Szurek, der die an der Studie beteiligte Gruppe am IRD in Frankreich leitet, die die Vorortstudien in Afrika durchgeführt hat: „Vor 2019 wurden keine Stämme aus Asien in Afrika gefunden und umgekehrt, was auf eine kürzlich erfolgte Einschleppung aus Asien nach Afrika hindeutet, die nun in ganz Tansania Ertragsverluste verursacht.“
Prof. Dr. Wolf B. Frommer vom Institut für Molekulare Physiologie der HHU, der das internationale Forschungskonsortium "Healthy Crops" leitet, erklärt: „Um die afrikanische Reiserzeugung vor der neuen Bedrohung durch diese pathogenen Bakterien zu schützen, haben wir neue Züchtungsmethoden angewendet, um die ‚Schlösser‘ der beliebten ostafrikanischen Elitereissorte Komboka auszutauschen, damit der ‚Schlüssel‘ des Erregers die Speisekammer nicht mehr aufsperren und somit die Krankheit gar nicht erst verursachen kann. Die optimierten Linien weisen ein breites Resistenzspektrum gegen Vertreter aller uns bekannten asiatischen und afrikanischen Xoo-Stämme auf, darunter auch gegen die Stämme, die kürzlich in Tansania entdeckt wurden.“
Koautor Prof. Dr. Bing Yang von der Universität Missouri in Columbia/USA ergänzt: „Mit diesen Entdeckungen werden wir afrikanische Wissenschaftler helfen und neue Züchtungsmethoden einsetzen, um lokal angepasste, krankheitsresistente Reissorten zu entwickeln. Die Erkenntnisse können auch bei der klassischen Züchtung von Sorten angewendet werden, die gegen die sich schnell ausbreitenden Stämme resistent sind – für solche Länder, die bisher keine Regulierungen für die neuen Züchtungsmethoden etabliert haben.“
Hintergrund: Weißblättrigkeit
Die Reisproduktion ist in vielen Ländern – insbesondere auch in Entwicklungsländern – entscheidend für die Ernährungssicherheit, die regionale Entwicklung sowie für die Bekämpfung der Armut. Weltweit sind derzeit etwa 900 Millionen Menschen aus einkommensschwachen Haushalten als Erzeuger oder Verbraucher auf die Reisproduktion angewiesen. Für mehr als vier Milliarden Menschen weltweit ist Reis das wichtigste Grundnahrungsmittel.
Die Weißblättrigkeit ist eine verheerende Reiskrankheit, die die Lebensgrundlage insbesondere von kleinen Lebensmittelproduzenten mit niedrigen Einkommen in Afrika und Asien bedroht. Zum Beispiel gehen trotz effizienter Schutzmaßnahmen in Indien immer noch knapp zehn Prozent der Ernten durch diese Krankheit verloren. Die entwickelten neuen Reislinien könnten diese Verluste verhindern und damit Reis für viele Millionen Menschen bereitstellen, die ansonsten von Hunger bedroht wären.
Die Krankheit wird durch das Bakterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (kurz: Xoo) verursacht. Bei einer Infektion schleust Xoo eine Reihe von Proteinen, die sogenannten TAL-Effektoren, in die Pflanzenzelle ein, die sich an das Wirtsgenom binden und dadurch die Expression von Pflanzengenen aktivieren, die wiederum die Produktion von Zuckertransportern der „SWEET“-Familie fördern. Sobald die SWEETs in die Plasmamembran der Zelle integriert sind, wird eine große Menge Zucker aus der Zelle exportiert, der den Xoo-Bakterien als Nahrung dient. Dies wiederum führt zum Welken und Austrocknen der Blätter und schließlich zum Absterben der Reispflanzen.
Projekt Healthy Crops
Im Kampf gegen Xoo werden oft Pestizide eingesetzt, die aber nur begrenzt wirksam sind und die die Bevölkerung einer Gefahr aussetzen. Das gemeinnützige internationale Forschungsprojekt Healthy Crops geht einen anderen Weg und will Reislinien züchten und bereitstellen, die gegen die Krankheit resistent sind. So sollen erhebliche Ertragssteigerungen für kleine Lebensmittelproduzenten in Afrika und Asien erzielt werden.
Das Projekt ist ein internationales Konsortium von Forschenden der HHU, den Universitäten von Florida und Missouri in den USA, des kolumbianischen „Center for Tropical Agriculture“ (CIAT), des „Institut de Recherche pour le Développement“ (IRD) in Frankreich, des „International Rice Research Institute“ (IRRI) auf den Philippinen und in Kenia sowie zwei Institute des „Indian Council of Agricultural Research“ (ICAR) in Indien. Das Projekt wird von der HHU durch Prof. Dr. Wolf B. Frommer geleitet, Projektkoordinator in Düsseldorf ist Dr. Marcel Buchholzer.
Um seine Ziele zu erreichen, hat das Konsortium eine Strategie zur Bekämpfung der Weißblättrigkeit entwickelt. Inzwischen hat das Team erfolgreich Reislinien gezüchtet, die gegen die Reiskrankheit resistent sind. Darüber hinaus wurde eine Diagnose-Toolbox etabliert, die eine schnelle Diagnose neu auftretender pathogener Bakterienstämme ermöglicht.
Im Projekt Healthy Crops wird die HHU in der Förder-ID INV-008733 von der Bill & Melinda Gates Foundation gefördert.
Originalpublikation:
Van Schepler-Luu, Coline Sciallano, Melissa Stiebner, Chonghui Ji, Gabriel Boulard, Amadou Diallo, Florence Auguy, Si Nian Char, Yugander Arra, Kyrylo Schenstnyi, Marcel Buchholzer, Eliza P.I. Loo, Atugonza L. Bilaro, David Lihepanyama, Mohammed Mkuya, Rosemary Murori, Ricardo Oliva, Sebastien Cunnac, Bing Yang, Boris Szurek, Wolf B. Frommer, Genome editing of an African elite rice variety confers resistance against endemic and emerging Xanthomonas oryzae pv. oryzae strains. eLife, 20.06.2023.
DOI: 10.7554/eLife.84864
Weitere Informationen:
https://www.healthycrops.org/
Topics
Species
