Viren in der Wintergerste – wird die Produktion in Deutschland durch ein weiteres bodenbürtiges Virus bedroht?

Viruses in winter barley – is the production of this crop in Germany threatened by another soil-borne virus?

Im Unterschied hierzu sieht die Situation für das BYDV etwas günstiger aus. Die aktuellen Sorten weisen dank des rezessiven Resistenzgens ryd1 bzw. des semidominanten Gens Ryd2 Toleranzeigenschaften auf. Durch Pyra­midisierung von Ryd2, Ryd3 sowie eines Quantita­tive Trait Locus (QTL) auf dem Chromosom 2H bzw. durch Introgression eines neuartigen Resistenzgens aus Hordeum bulbosum konnten in jüngster Zeit erste Linien mit deutlich verbesserter Resistenzausprägung ent­wickelt werden, die den Grundstock für die Züchtung neuer, gegenüber BaYDV widerstandsfähiger Sorten bilden können (Habekuss et al., 2009; Scholz et al., 2009).

Wie sieht die heutige Situation bezüglich der beiden bodenbürtigen Gelbmosaikviren der Gerste aus? Auch wenn sie in den letzten Jahren scheinbar deutlich weniger wahrgenommen wurden als die Erreger der Gelb­verzwergung, so sind das Barley yellow mosaic virus (BaYMV) und das Barley mild mosaic virus (BaMMV) nach wie vor eine ernste Gefahr für die Wintergerste. Nach ihrem Erstnachweis in Deutschland (Huth und Adams, 1990; Huth und Lesemann, 1978) war innerhalb weniger Jahre das flächendeckende Vorkommen und damit ein dauerhaftes Infektionspotenzial in den Gerstenanbaugebieten registriert worden. Die Ursache für die anhaltende Verseuchung der Böden liegt in der Biologie des ubiquitären Vektors Polymyxa graminis, in dessen dickwandigen Dauersporen die beiden Viren über mehr als 20 Jahre ihre Infektiosität bewahren können (Kanyuka et al., 2003).

Weil die chemische Bekämpfung des mikrobiellen Vektors weder aus ökologischer noch aus ökonomischer Sicht sinnvoll ist, können Ertragsverluste auf virusbelasteten Flächen nur durch den konsequenten Anbau resistenter Sorten vermieden werden. Mit dem rezessiven Gen rym4 war bereits Anfang der 1980er Jahre eine gegen beide Erreger wirksame qualitative Resistenz in einigen Sorten vorhanden (Graner und Bauer, 1993; Huth, 1982). Dieses Gen wurde in den Folgejahren intensiv genutzt und in nahezu alle Neuzüchtungen einge­lagert. Bereits im Jahr 1987 wurde jedoch ein erster Resistenz­durchbruch durch den Pathotyp BaYMV2 beobachtet (Huth, 1989; Kühne et al., 2003). Die gegenüber der Ausgangsform scheinbar geringere Virulenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Anbaugebieten ließen diesen Pathotyp nach anfänglich großer Besorgnis der Fachleute jedoch wieder in den Hintergrund treten und vielfach aus dem Bewusstsein verschwinden. Umfang­reiche Erhebungen in den Jahren 2009 und 2010, die gemein­sam von der Deutschen Saatveredelung AG, der Fachhochschule Südwestfalen in Soest und dem Julius Kühn-Institut in Quedlinburg durchgeführt wurden, haben jedoch offenbart, dass das BaYMV2 inzwischen in nahezu sämtlichen Regionen mit Wintergerstenanbau zu finden ist und alle Sorten mit rym4-Resistenz infiziert (Hilgesloh et al., 2009; Schäfer et al., 2010; Rabenstein et al., in Vorbereitung). Um massiven Ertragsverlusten vorzubeugen und die sehr schmale Resistenzbasis im Sortiment zu verbreitern, war bereits vor mehr als 20 Jahren mit der systematischen Suche nach weiteren Resistenz­quellen begonnen worden. Mit „Tokyo“ konnte 1996 eine erste Sorte auf den Markt gebracht werden, die das rym5-Allel enthielt und auch durch den neuen Pathotyp des BaYMV nicht infiziert werden konnte. Allerdings wurde in Pflanzen dieser Sorte bereits wenige Jahre später – zunächst in Frankreich (Hariri et al., 2003; Kanyuka et al., 2004), danach auch in Deutschland (Habe­kuss et al., 2008) – ein neuer resistenzbrechender Pathotyp des BaMMV nachgewiesen, über dessen Verbreitung und weitere Eigenschaften bisher kaum Informationen vorliegen.

Mit den Sorten „Nerz“ und „Jorinde“ stehen aktuell eine mehrzeilige bzw. zweizeilige Winterfuttergerste mit rym5 Allel und somit Resistenz gegen BaYMV2 zur Verfügung. Jüngste Fortschritte der Resistenzzüchtung haben inzwischen zu Sorten wie „Kathleen“ und „Yokohama“ geführt, die einen anderen Resistenzhintergrund auf­weisen. Ob und wie lange sie unter Produktionsbedingungen ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber BaYMV und BaMMV behalten, werden die nächsten Jahre zeigen. Mit den beiden Bymoviren muss ebenso wie mit BYDV und BDV auch weiterhin im Anbau von Winter­gerste gerechnet werden.

Mehr noch – die Situation könnte sich in Zukunft durch die Ausbreitung weiterer bodenbürtiger Viren in Deutschland deutlich verschärfen. Da ist das im Jahr 2002 erstmals im Raum Heidelberg nachgewiesene Soil-borne wheat mosaic virus (SBWMV), welches neben seinem Hauptwirt Weizen (Koenig und Huth, 2003) unter natürlichen Bedingungen auch Gerste infizieren kann (Kastirr et al., 2008). Entsprechende Beobachtungen liegen auch aus den USA, Italien und Japan vor (Koehler et al., 1952; Shirako und Ehara, 1986; Slykhuis, 1976). Systematische Untersuchungen zur Verbreitung dieses Erregers in Deutschland wurden bislang nicht durchgeführt.

Eine neue, zusätzliche Gefahr für die Wintergerste ergibt sich in Deutschland nun durch ein weiteres Virus, welches im Jahr 2010 erstmals in symptomtragenden Pflanzen nachgewiesen werden konnte. Der Fundort in Niedersachsen liegt in einem Gebiet mit intensiver Getreideproduktion. Unabhängig vom Resistenzstatus gegenüber den Gelbmosaikviren konnte der neue Erreger in verschiedenen Sorten nachgewiesen werden (Abb. 1). In der gegen BaYMV und BaMMV resistenten Sorte „Jorinde“ wurden elektronenmikroskopisch stäbchen­förmige Virionen mit Zentralkanal und zwei unterschiedlichen Partikellängen beobachtet (Abb. 1A), während dies in den Sorten „Nerz“ und „Saturn“ eindeutig nur mittels ISEM-Technik unter Verwendung eines Anti­serums gegen Soil-borne cereal mosaic virus (SBCMV) gelang (Abb. 1B). Die serologische Verwandtschaft zum SBCMV ließ sich mit monoklonalen Antikörpern (mAk) bestätigen, wobei sowohl die kürzeren als auch die längeren Virionen durch den spezifischen mAk 4G11 (Rabenstein et al., 2005) dekoriert wurden (Abb. 1C und D). Die Dekoration von Partikeln mit einem mAk gegen SBWMV erfolgte dagegen nicht.

Abb. 1. Elektronenmikrosko­pische Darstellung von Viruspartikeln in Gerstenproben vom Versuchsstandort in Niedersachsen nach Kontrastierung mit Uranylacetat. A: Vorkommen von stäbchenförmigen Viruspartikeln mit Zentralkanal und zwei Partikellängen in der Wintergerstensorte „Finesse“, B: Nachweis von stäbchenförmigen Viruspartikeln in der Wintergerste „Saturn“ nach ISEM – Behandlung mit Anti­serum PAS SBCMV-92, C und D: Immunogold-Markierung von unterschiedlich langen Partikeln mit dem SBCMV spezifischen monoklonalen Antikörper mAk 4G11. E: Stäbchenförmige Virus­partikel von ca. 180 und 300 nm Länge nach mechanischer Übertragung des Isolats Jorinde 1 auf die Testsorte „Erfa“.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden Pflanzen verschiedener Wintergerstensorten vom Fundort des neuen Erregers mit zwei ELISA-Testformaten auf Virus­infektion geprüft. In Tab. 1 sind die Resultate unter Verwendung verschiedener Antiseren (PAS) im DAS-ELISA bzw. von zwei mAk im TAS-ELISA zusammengestellt. Blätter der für BaYMV und BaMMV anfälligen Sorten „Anisette“, „Finesse“ und „Saturn“ enthielten entweder eines der beiden Gelbmosaikviren oder beide. Die resistenten Sorten „Jorinde“ und „Nerz“ ergaben indessen positive Werte im DAS-ELISA nur für SBCMV und SBWMV. Die PAS zeigten erwartungsgemäß eine Kreuzreaktion mit beiden Furoviren, während die mAk im TAS-ELISA spezifisch nur mit dem homologen Virus reagierten. Anhand der Symptome kann eine Mischinfektion in den Feldproben indes nicht diagnostiziert werden. Die stärksten Effekte in Form von Vergilbungen sowie Strichel- und Mosaiksymptomen waren an Blättern der Sorten „Anisette“ (Abb. 2A) und „Saturn“ zu beobachten; „Finesse“, „Jorinde“ und „Nerz“ reagierten etwas schwächer (Abb. 2B, C und D).

Abb. 2. Symptome an natürlich und künstlich infizierten Gerstenpflanzen. A bis D: Strichel- und Mosaiksymptome an Feldproben der Sorten „Anisette“ (A), „Finesse“ (B), „Jorinde“ (C) und „Nerz“ (D), E bis H: Symptome an Wintergersten nach mechanischer Inokulation mit dem Isolat Jorinde 1: Mosaik und chloro­tische Strichel an der Testsorte „Erfa“ 28 d p.i. (E), starke Wuchsdepressionen an der Sorte „Tokyo“ 56 d p. i. (links nicht infizierte Pflanze) (F), chlorotische Streifen an der mehrzeiligen Wintergerste „Yokohama“ 28 d p. i. (G) und starke Wuchsdepressionen an der Sorte „Kathleen“ 28 d p. i. (H).

Die morphologischen und serologischen Untersuchungen deuten im konkreten Fall zunächst auf das SBCMV, das bisher in Deutschland an Roggen, Weizen und Triticale aber noch niemals an Gerste nachgewiesen worden war. Anderseits wurde 2007 in Frankreich erstmals über ein ähnliches Virus an Wintergerste berichtet (Hariri und Meyer, 2007). Für die Identifizierung und weitere Charakterisierung des neuen Erregers wurden deshalb einige biologische Eigenschaften überprüft und erste molekularbiologische Untersuchungen durchgeführt. Hierfür wurde das Isolat Jorinde 1 (Tab. 1) ausgewählt, das im ELISA nur mit Antikörpern gegen SBCMV, jedoch mit keinem der geprüften Antiseren gegen Viren mit vergleichbarer Morphologie, wie z.B. Barley stripe mosaic virus oder verschiedenen anderen Viren der Familie Virgaviridae, reagiert hatte.

Das Isolat Jorinde 1 ließ sich durch mechanische Inokulation auf verschiedene Gerstensorten, wie z.B. „Erfa“ (Abb. 1E) und „Tokyo“ übertragen (Abb. 2E und F). Aber auch die neu gezüchteten mehrzeiligen Wintergersten „Yokohama“ und „Kathleen“ reagierten z.T. mit starken Chlorosen bzw. virusbedingten Wuchsdepressionen (Abb. 2G und H). Eine Infektion von Roggensorten wurde bisher nicht diagnostiziert. Hierdurch unterscheidet sich der neue Erreger vom SBCMV. Im Gegensatz zum SBCMV und SBWMV verursachte das neue Gerstenvirus auf Nicotiana tabacum der Sorten „Samsun NN“ bzw. „Samsun nn“ bereits 3 bis 4 Tage nach der Inokulation sehr starke Nekrosen. Weitere Tabakarten, wie N. benthamiana, N. clevelandii und N. occidentalis wurden systemisch infiziert.

Die bisher erhaltenen molekularbiologischen Daten zeigten weitere Unterschiede des neuen Virus zu den beiden für Deutschland bereits beschriebenen Furoviren auf. Bei Einsatz sequenzspezifischer Primer für die RNA1 des SBCMV bzw. des SBWMV (Spanakakis und Götz, 2006) wurde nach RT-PCR nur für die homologen Viren, nicht jedoch für den neuen Erreger ein Amplifikationsprodukt erhalten (Abb. 3). Dies weist auf Sequenzunterschiede in RNA1 des neuen Gerste-infizierenden Furo­virus hin. Auch die Analyse der Hüllprotein(CP)-kodierenden Sequenz der RNA2 offenbarte deutliche Unterschiede zu Isolaten des SBCMV und SBWMV, obgleich das CP ebenso aus 176 Aminosäuren (aa) gebildet wird. Das Isolat Jorinde 1 besitzt im CP in aa Position 63 im Vergleich zu allen anderen Isolaten anstelle von Phenyl­alanin (F) ein Leucin (L). Die Tab. 2 präsentiert einen Vergleich der Hüllprotein-Sequenzen von 14 Furoviren, wobei das aus Weizen stammende SBCMV-Isolat C (Koenig et al., 1999) als Bezug genommen wurde. In der Darstellung sind nur solche Austausche berücksichtigt, die in mindestens 3 Isolaten vorkommen. Die SBCMV-Isolate zeigen untereinander, ebenso wie die SBWMV-Herkünfte aus Weizen, nur einen geringen Grad an Diversität (Ratti et al., 2005). Nur die Isolate C und G weichen in den Positionen 27 und 155 von den übrigen SBCMV-Isolaten ab (s. Tab. 2, blaue Markierung). Die Isolate Marne (F), Jorinde 1 und JT (Japan), die alle aus Gerste stammen, erscheinen sehr ähnlich und besitzen gemeinsame aa Austausche in den Positionen 50, 91, 93, 146 und 168 (s. Tab. 2, grüne Markierung), wodurch sie sich von den übrigen Furoviren des Getreides unterscheiden. Die molekularbiologischen Analysen belegen für das neue Gerstenvirus eine weitgehende Identität mit dem Isolat Marne (F), das bereits 2007 in Frankreich an Gerste gefunden wurde (Harari und Meyer, 2007) und nahezu identisch mit einem als SBWMV-JT bezeichneten Virus ist, welches in Japan ebenfalls von Gerste isoliert worden war (Shirako et al., 2000).

Abb. 3. PCR Analyse mit sequenzspezifischen Primern für die RNA1 des SBCMV (RT-PCR 1 und 2) – bzw. des SBWMV (RT-PCR-3). M = DNA-Marker, J1 = Isolat Jorinde 1, C1 und C2 = zwei Isolate des SBCMV, H = Isolat Heddesheim des SBWMV.

Für das französische Isolat wurden nach mechanischer Inokulation unterschiedliche Wirtspflanzenarten ermittelt, darunter auch Weizen, Zuckerrübe und Spinat. Diese Befunde konnten für das deutsche Isolat bereits teilweise bestätigt werden. Ob das Virus unter natürlichen Bedingungen neben P. graminis auch durch P. betae übertragen werden kann, müssen entsprechende Untersuchungen zeigen. Offen bleibt bisher auch die Frage einer mög­lichen Saatgutübertragung. In Sämlingen aus Körnern infizierter Weizenpflanzen konnten Budge et al. (2008) mittels real-time RT-PCR die RNA2 des verwandten SBCMV nachweisen. Obwohl dieser Arbeit und ähnlichen Mitteilungen aus Polen (Garbaczewska et al., 1997; Jezewska, 1995) zur Samenübertragbarkeit des SBCMV noch mit Skepsis begegnet wird, belegen Untersuchungen an verwandten Viren der Gattung Pecluvirus der Familie Virgaviridae eine, wenn auch sehr niedrige, Übertragungsrate durch das Saatgut (Delfosse et al., 1999).

Gänzlich unbeantwortet bleiben im Augenblick noch Fragen nach dem potentiellen Schadenspotential des neuen Erregers (Ertragsdepression, Einfluss auf Winterhärte u.a.) und nach der möglichen biologischen und genetischen Variabilität, wie sie z.B. von dem verwandten, Roggen und Weizen infizierenden SBCMV bekannt ist (Koenig et al., 1999). Auch fehlen bisher jegliche An­gaben zu möglichen Resistenzen im aktuellen Wintergersten-Sortiment sowie in den anderen wirtschaftlich relevanten Wirten. In ersten Infektionsversuchen haben sich die Gelbmosaikresistenzen rym4 und rym5 als nicht wirksam erwiesen. Notwendig für die weiteren Forschungsarbeiten ist darüber hinaus die Entwicklung spezifischer Diagnostika zur Identifizierung und Differenzierung der verschiedenen Erreger.

Sollte sich das neue, erstmals an Wintergerste in Deutschland nachgewiesene Furovirus in Zukunft weiter ausbreiten – und dafür sprechen alle bisherigen Erfahrungen mit bodenbürtigen Viren – so muss perspektivisch auch die Frage nach der Möglichkeit und den Konse­quenzen von Mischinfektionen in Gerstenpflanzen mit Bymo- und Furoviren bzw. einer Mischinfektion mit insekten­übertragbaren Viren gestellt werden. In jedem Fall werden neue resistenzzüchterische Arbeiten erforderlich, die mit der Suche nach Resistenzquellen im Genpool der Gerste beginnen müssen.

Zusammenfassend ist die besondere Bedrohung der Wintergerste sowohl durch insekten- als auch durch pilzübertragbare Viren weiterhin gegeben. Auch wenn seit 2007 die Charakterisierung des neuen Furovirus der Gerste in Frankreich durch den altersbedingten Abschied aller Getreidevirologen nicht weiter vorangetrieben wurde, so zeigen gerade die jüngsten Erhebungen am Beispiel des BaYMV2, dass sich einmal etablierte bodenbürtige Viren kontinuierlich ausbreiten und in den Anbauregionen ein Infektionspotenzial aufbauen können, dem rechtzeitig begegnet werden muss, will man subs­tantielle Ertragsverluste dauerhaft vermeiden.