Genome-Wide-Epidemiological-Climatic-Analyses: a new tool for crop resistance to diseases in the face of climate change (GWECAs)

Infektionskrankheiten bei Nutzpflanzen und Haustieren stellen eine erhebliche Belastung für die Landwirtschaft dar, da sie sowohl direkte Auswirkungen auf die Erträge bzw. Produktionsverluste als auch indirekte Auswirkungen wie Qualitätseinbußen haben. Der Klimawandel und der globale Handel erhöhen die Wahrscheinlichkeit verheerender Epidemien und damit die Unvorhersehbarkeit von Produktion und Erträgen, weil

1. steigende Temperaturen die geografische Reichweite von Infektionskrankheiten und die Schwere von Epidemien erhöhen,
2. Erregerstämme leicht zwischen Orten mit günstigen Umweltbedingungen für Epidemien reisen und
3. neue Epidemien aufgrund der zunehmenden Häufigkeit von Wirtssprüngen entstehen.

Es gibt inzwischen ausreichend Belege für verheerende Epidemien bei Nutzpflanzen (Ug99 Getreideschwarzrost), Nutztieren (H5N1 Vogelgrippe) und Menschen (Covid-19). Die moderne Züchtung auf Krankheitsresistenz bei Nutzpflanzen oder Nutztieren ist somit ein Wettrüsten zwischen Mensch und Krankheitserreger, das durch den Klimawandel noch zusätzlich beschleunigt und verkompliziert wird. Die Anfälligkeit oder Resistenz von Wirten und die Schwere von Epidemien werden durch die Interaktion eines bestimmten Wirtsgenotyps (Nutzpflanze oder Nutztier) mit einem bestimmten Genotyp des Krankheitserregers (Viren, Bakterien, Pilze) innerhalb eines Klima- und Umweltkontextes bestimmt (sogenannte GxGxE-Interaktionen). Es müssen daher neue Resistenzgene gefunden werden um die Resistenz von Nutzpflanzen und -tieren gegen Epidemien zu erhöhen. Um resistente Genotypen räumlich und zeitlich optimal in der Agrarlandschaft einzusetzen, müssen außerdem die Auswirkungen der genetischen Vielfalt der Krankheitserreger und des Klimawandels auf die GxGxE-Wechselwirkungen quantifiziert und vorhergesagt werden.

Das Tellier-Labor entwickelt mathematische Modelle der Koevolution zwischen Wirten und Krankheitserregern und hat kürzlich ein neuartiges Genome-Wide-Association-System (Bayesian) entwickelt, um die Genome des europäischen Menschen und des Hepatitis-C-Virus (HCV) zu kombinieren und einen neuartigen menschlichen Genlocus für die Resistenz gegen das Virus aufzudecken. Dr. Spannagl vom Helmholtz Zentrum München ist auf die Assemblierung und Analyse großer Pflanzengenome wie Gerste oder Mais spezialisiert und erstellt derzeit das Gersten-Pan-Genom auf der Grundlage von 76 Sorten. Dr. Herz ist in der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) für die Gerstenzüchtung mit dem Schwerpunkt Resistenz gegen Krankheitserreger verantwortlich und führt Feldversuche in ganz Bayern durch, um die Auswirkungen von Umweltbedingungen auf den Infektionsgrad zu untersuchen. Professorin Franziska Wespel von der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) bringt ihre Erfahrungen in der Züchtung und in Gerstenpathogenen ein. Die Labore an der HSWT und der LfL verfügen über das Know-how und die notwendige Infrastruktur für die Durchführung von Feldversuchen und die Probennahme von Pflanzen- und Erregerproben auf Gerstenfeldern in ganz Bayern. Darüber hinaus sind Dr. Herz an der LfL und Prof. Wespel an der HSWT die perfekten Partner, um die Ergebnisse dieses Projekts in die Entwicklung neuer resistenter Gerstensorten umzusetzen. Das Team vereint somit in einzigartiger Weise theoretische Biologen, Pflanzenpathologen, Pflanzenzüchter und Genomik-Experten. Als Pilotprojekt und Proof of Concept für Genome-Wide-Epidemiological-Climatic-Analysen (GWECAs) wird sich das Expertenteam auf Sommergerste und Toxin bildende Fusarium-Pilzerreger konzentrieren.

In dem Projekt werden drei Ziele verfolgt:

1. Entwicklung eines neuartigen GWECA-Frameworks zur Entdeckung neuer Resistenzgene in Nutzpflanzen sowie zur Identifizierung der Erregergene für die Infektiosität und zur Bewertung und Vorhersage des Umwelteinflusses (Klima) auf das Auftreten und den Schweregrad lokaler Epidemien,
2. Gewinnung von Genomdaten von Sommergerste und Fusarium sp. aus verschiedenen Feldversuchen in Bayern als Nachweis für die Anwendung unserer GWECA-Methode,
3. Aufbau eines bayerischen und europäischen Netzwerks von interessierten Forschern und Züchtern, um die Methode weiterzuentwickeln und das GWECA-Schema zur Entdeckung neuer Gene und in der Züchtung verschiedener Hauptkulturpflanzen (Gerste, Weizen, Mais) und Nutztieren (Geflügel, Rinder, Schweine) umzusetzen.
   
   

Es werden Informationen aus vollständigen Genomdaten genutzt, um die genetischen und umweltbedingten Grundlagen der Krankheitsschwere in Raum und Zeit (über Standorte, Jahre und Sorten hinweg) zu entschlüsseln. Das Projekt ist zeitgemäß, da die moderne Züchtung die genetische Vielfalt der meisten wichtigen Nutzpflanzen zumeist einschränkt, und der Klimawandel die Unvorhersehbarkeit von Krankheitsepidemien verstärkt. Das Projekt ist einzigartig und ambitioniert in seiner Bandbreite: Es reicht von der Entwicklung genomischer Methoden über die Analyse epidemiologischer und klimatischer Daten bis hin zur Anwendung auf die Genomanalyse von Gerste und Fusarium sp. Dieses Projekt ist nur durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den vier Gruppen an TUM, Helmholtz-Zentrum, HSWT und LfL möglich. Die Ergebnisse dieses Projekts werden weitreichend und wegweisend sein und über die Gerste hinaus vielen Kulturarten zugutekommen sowie zur Ernährungssicherheit in Bayern und der EU beitragen.