Inwertsetzung wilder Verwandter der Kartoffel zur Entwicklung von genetisch erweitertem Keimplasma mit verbesserter Resistenz gegen die Kraut- und Knollenfäule (Phytophthora infestans)

Use of Crop Wild Relatives for Genetic Enhancement of Potato Germplasm with Improved Resistance to Late Blight (Phytophthora infestans)

Einleitung

Die Kulturkartoffel (Solanum tuberosum L.) gehört neben Mais, Reis und Weizen weltweit zu den vier bedeutend­sten Nahrungspflanzen. In der Kohlenhydratproduktion je Flächen- und Zeiteinheit ist die Kartoffel allen anderen Ackerkulturen überlegen (Woolfe, 1996). Die Sorten­vielfalt bei der Kartoffel ist groß. In der Beschreibenden Sortenliste sind derzeit 205 Kartoffel-Sorten aufgeführt (Bundessortenamt, 2012). Trotz dieser Vielfalt gibt es aber Defizite in der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Kraut- und Knollenfäule und Verbesserungsbedarf in der Nachhaltigkeit der Produktionsbedingungen. Wesentliche Beiträge zur Verbesserung der Nachhaltigkeit im Kartoffelbau müssen durch die Eigenschaften, die die Kulturpflanze mit sich bringt, geleistet werden. Hierzu ist die genetische Erweiterung des züchterisch adaptierten Genpools (Keimplasma) durch Züchtungsforschung und ihre praktische Nutzung durch die Sortenzüchtung erforderlich.

Die genetische Basis der Kulturkartoffel (Solanum tuberosum subsp. tuberosum) ist eng und wurde durch die Phytophthora-Epidemien in den 40er Jahren des 19. Jahrhunderts noch zusätzlich reduziert (Hawkes, 1967). Daher wird versucht, mit Hilfe von Einkreuzungen aus wilden Verwandten, d.h., anderen Solanum-Arten, die genetische Basis zu erweitern (Caroll, 1982; Darsow, 2008; Hammann et al., 2009; Thieme et al., 2010).

Wild- und Primitivformen der Kartoffel zeigen eine hohe genetische Diversität und bieten als potenzielles Genreservoir die Chance, den Genpool der Kulturkartoffel im Hinblick auf Widerstandsfähigkeit gegen Krank­heiten und Schädlinge oder Toleranz gegen abiotischen Stress zu erweitern. Ein Beispiel ist Solanum demissum, eine hexaploide mexikanische Art des sekundären Genpools mit Widerstandsfähigkeit gegen die Kraut- und Knollenfäule, die bislang am häufigsten als Resistenzquelle genutzt wurde. Diese und weitere Wildarten tragen Resistenzen gegen eine Reihe viröser, pilzlicher und bakterieller Erkrankungen, ebenso wie Resistenzen gegen Nematoden und Schadinsekten. Auch heute werden durch die Züchtungsforschung immer noch neue Resistenzen und andere interessante Eigenschaften in Wild­arten entdeckt, zumal sich geografische Herkünfte und Genbankakzessionen derselben Wildart in ihren Gen­varianten und Eigenschaften durchaus unterscheiden. Die meisten der bekannten 188 Solanum-Wildarten, von denen bisher nur wenige als Genressource für die gene­tische Erweiterung des Kartoffel-Genpools genutzt werden, haben ihre ursprünglichen Habitate vom Südwesten der USA bis nach Zentral-Chile und das angrenzende Argentinien (Hougas und Peloquin, 1957; Peloquin et al., 1990; Ross, 1986).

Die Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel (Abb. 1 und 2), verursacht durch den Oomyceten Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, ist die bedeutendste Krankheit der Kartoffel weltweit und verursacht, trotz der Entwicklung wirkungsvoller Fungizide, beträchtliche Kosten. Der jährliche Fungizidaufwand für die Kraut- und Knollenfäulebekämpfung wird für Europa auf 150 Millionen US$ geschätzt. Bekämpfungskosten und verbleibende Ertragsschäden belaufen sich in Ländern mit intensiver Kartoffelproduktion wie Dänemark, Deutschland oder den Niederlanden auf etwa 750 €/ha (Haverkort et al., 2008). In den USA, Europa und den Entwicklungsländern werden insgesamt ca. 1,3 Mrd. US$ jährlich allein für Fungizide zur Bekämpfung der Kraut- und Knollenfäule aufgewendet (Forbes und Landeo, 2006). Dennoch ist die Schadwirkung von P. infestans in Form von Produktionsverlust beträchtlich; eine für Entwicklungsländer angestellte Schätzung ergab jährliche Produktionsverluste im Wert von 2,75 Mrd. US$ (Anonymous, 1996). Die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Kartoffeln gegen P. infestans ist somit eine relevante Aufgabe im Zusammenhang mit der Sicherung der Welternährung.

Abb. 1. Befall mit Krautfäule.

Abb. 2. Befall mit Knollenfäule.

Die Pathogenpopulation von P. infestans in Europa zeigt seit Mitte der 1970er Jahre eine höhere Diversität. So wird neben dem verbreiteten A1- nun auch verstärkt der A2-Paarungstyp nachgewiesen, und es gibt Beweise für sexuelle Reproduktion und genetische Rekombina­tion zu neuen Erregerrassen. Die Folge ist eine schnellere Anpassung des Erregers an veränderte Umweltbedingungen (Hijmans und Spooner, 2001).

Bislang bekannt gewordene neue Erregerrassen sind gekennzeichnet durch

• höhere Aggressivität;

• breitere Temperaturtoleranz für die Fortpflanzung;

• schnellere Nekrosebildung;

• stärkere Sporangienbildung;

• deutlich verkürzte Latenzzeit von 3–5 Tagen gegenüber 5–7 Tagen;

• mehr Generationszyklen pro Jahr.

Die hohe Anpassungsfähigkeit des Erregers verdeutlicht, dass die Resistenzzüchtung gegen das Pathogen auch nach mehr als 130 Jahren von hoher Aktualität ist.

Zur Resistenzverbesserung des Zuchtmaterials wurden immer wieder andere Solanum-Wildarten eingekreuzt (Tab. 1), mit dem Ziel, eine dauerhaftere Widerstands­fähigkeit gegen den Befall durch P. infestans zu erreichen.

Tab. 1. Züchterisch genutzte Solanum-Arten mit hoher Kraut- und Knollenfäule-Resistenz

Solanum-Arten mit hoher Kraut- und Knollenfäule-Resistenz
S. acaule	S. x edinese	S. pinnatisectum
S. brachistotrichum	S. fendleri	S. polytrichon
S. brevicaule	S. hjertingii	S. x sambucinum
S. bulbocastanum	S. hougasii	S. stoloniferum
S. cardiophyllum	S. jamesii	S. trifidum
S. chiquidenum	S. morelliforme
S. demissum	S. papita
Quelle: (Hawkes, 1990)

Für eine zielführende Resistenzzüchtung gegen P. infestans müssen zwei Sachverhalte berücksichtigt werden. Erstens sind Resistenzen gegen einen Befall am Kraut bzw. an den Knollen aus züchterischer Sicht als zwei unterschiedliche Merkmale zu behandeln (Forbes und Landeo, 2006). Zweitens besteht eine positive Korrela­tion zwischen der Widerstandsfähigkeit des Krautes und späterer Abreife. Bleibt dies unberücksichtigt, werden bei der züchterischen Auslese auf geringe Anfälligkeit unwillkürlich spät abreifende Typen bevorzugt. Das Brechen dieser Korrelation zugunsten der Kombination von quantitativer Resistenz und früherer Abreife gilt allgemein als schwierig. Dass diese Aufgabe dennoch mit einem konventionellen Züchtungsansatz lösbar ist, belegen aktuelle Ergebnisse aus dem Groß Lüsewitzer Prebreeding-Programm, die im Folgenden vorgestellt werden.

Material und Methoden

Das unterste Fiederblatt der jeweils ersten Pflanze einer Reihe wurde mit 5 ml einer Sporensuspension (1,2 × 10⁴ Sporangien/ml) in den Abendstunden auf der Blattunterseite inokuliert. Die erste Bonitur erfolgte etwa 5 Tage nach der Inokulation (dpi) als prozentual befal­lene Krautfläche in der Parzelle. Die Bonitur wurde anschließend zweimal wöchentlich bis zum Stadium der Gelbreife (80–90% der Blätter vergilbt) der Zuchtstämme durchgeführt. Das Abreifeverhalten und andere agronomische Eigenschaften der einzelnen Stämme wurden in einem intensiv mit Fungiziden behandelten Feld ermittelt.

Zur quantitativen Bestimmung der Krautfäuleresistenz wurde als Maßzahl die Fläche unter der Befallsverlaufskurve (AUDPC; Area Under Disease Progress Curve) bestimmt, welche sich aus den Boniturterminen ergibt (Fry, 1978; Colon, 1994). Für den Vergleich verschie­dener Sorten und Stämme (vgl. Abb. 4) wurden relative AUDPC-Werte (rAUDPC) berechnet (Hansen et al., 2002, 2003). Eine reifeabhängige Korrektur der Krautfäule­befallswerte erfolgte auf Grundlage einer linearen Regression der rAUDPC-Werte auf die Abreifebonitur. Der Zeitpunkt der Abreife eines Zuchtstamms ist für die Bewertung seiner Krautfäuleresistenz ein wesentliches Merkmal, da Anfälligkeit und Abreifeverhalten korrelieren. Der ΔrAUDPC-Wert entspricht dem Residuum der Regression auf die Reifezeit und dient als Maßzahl für die reifekorrigierte Resistenz (Bormann, 2003; Truberg et al., 2009).

Abb. 4. Befall mit Krautfäule und Abreifeverhalten ausgewählter Versuchs­stämme und Sorten im Mittel der Jahre 2010 bis 2012.

Blatttest. Der Blatttest (detached-leaf assay) ist eine weitere Methode zur Ermittlung der Krautfäuleanfälligkeit und der quantitativen Resistenz und diente neben dem Feldtest der Auslese der Prebreeding-Zuchtstämme. Der Blatttest wurde an Einzelblättern verschiedener Pflanzen eines Zuchtstamms durchgeführt. Die Inokulation der Blattproben erfolgte in einer Feuchtekammer mit einer P.-infestans-Suspension (ca. 1 μl; 1,5 × 10⁴ Sporangien/ml) je Blatt auf der Blattunterseite, mit sich anschließender Inkubation der Blätter für 7 Tage bei 19°C und 95% RF bei 150 Lx. Die Größe der Nekrosen und die Entwicklung des Mycels wurden 6 Tage auf einer 1–9-Skala je Blatt geschätzt, mit Note 1 = „kein Befall erkennbar“ und Note 9 = „Blattfläche komplett nekrotisiert bzw. vollständig mit Mycel bewachsen“. Anschließend wurde für jedes Prüfglied der Mittelwert aus den Einzelblatt-Bonituren berechnet.

Knollentest. Der Knollentest wurde an jeweils 30 ernte­frischen und gewaschenen Knollen der Prebreeding-Zuchtstämme durchgeführt. Die Knollen wurden in eine Sporangiensuspension (1,2 × 10³ Sporangien/ml) aus der oben beschriebenen Herkunft getaucht und anschließend für ca. 24 h in Dunkelheit bei 19°C/100% RF und für weitere 7–10 Tage bei 19°C/85% RF in Dunkelheit inkubiert. Die Knollenreaktion wurde individuell für jede Einzel­knolle auf einer 1–9-Skala geschätzt, mit 1 = kein Befall erkennbar und Note 9 = 100% Befall des Knollengewebes. Anschließend wurde ein mittlerer Boniturwert der befallenen Knollen errechnet. Knollen ohne Befall wurden ein weiteres Mal nach 12 Tagen bewertet und die Bonitur­noten je Stamm wiederum gemittelt. Schließlich wurden beide Mittelwerte zu einem Befallsindex zusammengefasst. Hierbei ging die erste Bonitur mit doppelter Wertung und die zweite Bonitur mit einfacher Wertung in den Index ein (Darsow, 2008).

In der Tab. 3 sind die Befallswerte bezüglich Phytoph­thora und andere wichtige Merkmale von 17 JKI-Pre­breeding-Stämmen und 4 Vergleichssorten zusammengefasst. Im Feldversuch der Versuchsjahre 2010 bis 2012 variierte der Befall zwischen den Prüfgliedern von 2% bis 56%. Einige JKI-Stämme zeigten einen signifikant geringeren Befall im Feldversuch (Abb. 3). Im Blatttest wurden Befallsbonituren zwischen 1,2 für den annähernd vollständig resistenten Prebreeding-Stamm 04.5211.01 und 5,6 für den früh reifenden, deutlich höher anfälligen Stamm 07.1017.02 ermittelt. Die ältere Sorte ‘Adretta’ wurde ebenfalls mit Note 5,6 im Blatttest bonitiert und zeigte im Feldtest 85% befallene Krautfläche, was ihre vergleichsweise hohe Anfälligkeit für P. infestans demon­striert. Die meisten JKI-Stämme, die im Blatttest eine hohe Resistenz aufwiesen, zeigten sich auch unter Feldbedingungen als wenig befallen. Lediglich der mittelfrüh abreifende Stamm 07.1023.03 erwies sich im Feldtest als mittel-anfällig, während er im Blatttest als annähernd resistent bonitiert wurde.

Abb. 3. Feldprüfung auf relative Krautfäule Resistenz nach künst­licher Infektion mit Beregnung und Wind­schutz.

Die meisten JKI-Prebreeding-Stämme mit einem hohen Resistenzniveau gegen Krautfäule im Feldtest zeigten im Knollentest eine moderate Anfälligkeit. Die Vergleichssorten und die stärker krautfäuleanfälligen Experimentalstämme wiesen meist auch eine höhere Anfälligkeit gegenüber Knollenfäule auf. Lediglich die JKI-Stämme 07.1023.03 und 07.1069.04 zeigten bei mittlerer Krautfäuleresistenz eine relativ hohe Anfälligkeit gegenüber Knollenfäule. Die Resistenzindices gegenüber Kraut- vs. Knollenfäule wiesen in diesen Versuchen keine Korrela­tionen auf und bestätigten die Annahme, dass Kraut- und Knollenfäule züchterisch als unterschiedliche Merkmale behandelt werden müssen.

Beachtenswert ist, dass die JKI-Prebreeding-Stämme neben verbesserter P.-infestans-Resistenz auch akzep­table Qualitätseigenschaften aufweisen. Die Kombination quantitativer Phytophthora-Resistenz mit Speiseeignung gilt gemeinhin als schwierig. Gleiches gilt auch für die Kombination von hohem Stärkegehalt und Phytophthora-Resistenz, bei gleichzeitig nicht zu später Abreife. Wie die Tab. 3 belegt, sind mittlerweile Stämme vorhanden, die diese Merkmale in sich vereinen. Beispielsweise wiesen die Stämme 07.1023.03 und 07.1054.03 im 3-jährigen Mittel stabil hohe Stärkegehalte bei einer mittleren Krautfäuleresistenz auf. Außerdem konnten Stämme identifiziert werden, die eine gute Veredelungseignung mit hoher Resistenz kombinieren. Die Veredelungs­eignung wurde als Chips- bzw. Pommes-frites-Eignung direkt an Knollenmaterial aus der 4°C-Lagerung anhand der Verbräunungsneigung untersucht, wobei es sich als deutlich schwieriger erweist, Stämme mit guter Chipseignung zu identifizieren als Stämme mit guter Pommes-frites-Eignung (Tab. 3).

In den Versuchsjahren 2010, 2011 und 2012 konnten Prebreeding-Stämme identifiziert werden, welche im Vergleich zu den Standardsorten ‘Eersteling’, ‘Adretta’, ‘Birgit’, ‘Bintje’, ‘Sarpo Mira’ bzw. ‘Kuras’ signifikant geringer von Krautfäule befallen wurden, und dies bei früheren oder vergleichbaren Abreifeterminen (Abb. 4). Die bereits erwähnte hohe Korrelation zwischen später Abreife und abnehmender Anfälligkeit gegenüber Krautfäule manifestiert sich bei der Sorte ’Sarpo Mira’ augenfällig. Die Tatsache, dass im 3-jährigen Mittel JKI-Stämme mit Reifebonituren unterhalb Note 4 vergleichsweise gering durch Krautfäule befallen wurden, zeigt, dass im Groß Lüsewitzer Prebreeding-Programm die Kombination von guter Phytophthora-Resistenz und früher Abreife inzwischen gelungen ist.

Der reifekorrigierte Wert ΔrAUDPC wird verwendet, um die Beurteilung der Krautfäuleresistenz vom Einfluss später Abreife zu separieren. Niedrige ΔrAUDPC-Werte beschreiben ein niedriges Niveau in der Anfälligkeit. In Abb. 5 zeigen alle JKI-Prebreeding-Stämme sehr niedrige ΔrAUDPC-Werte und können daher als gering anfällig bezeichnet werden. Beispielsweise weist Stamm 07.1005.05 eine geringere Anfälligkeit auf als Stamm 07.1001.05 oder Stamm 07.1084.07.

Abb. 5. Reifekorrigierte Kraut­fäulereaktion (rAUD­PC) ausgewählter Versuchsstämme und Sorten im Mittel der Jahre 2010 bis 2012.

Am Julius Kühn-Institut in Groß Lüsewitz wird in einem langfristig ausgerichteten Programm zur gene­tischen Erweiterung des Kulturkartoffel-Genpools eine andere Strategie in der Resistenzzüchtung verfolgt, nämlich die Nutzung der rassenunspezifischen oder quanti­tativen Resistenz. Wildarten der Kartoffel, die in ihrem Ursprungsgebiet eine Jahrtausende lange Koevolution mit dem Krankheitserreger durchlaufen haben und während dieser Zeit polygen bedingte Abwehrstrategien entwickeln konnten, werden als Resistenzquellen genutzt.

Eine quantitative Resistenz verleiht der Pflanze zwar keinen absoluten Schutz gegen einen Befall, wirkt aber befallsreduzierend gegen alle oder mehrere Erreger­rassen. Ihre Nutzung in der Sortenzüchtung könnte somit eine Kartoffelproduktion mit deutlich reduziertem Input an chemischem Pflanzenschutz ermöglichen (Darsow, 2005).

Die Vorteile dieser Resistenzform haben allerdings auch ihren Preis. An ihrer Ausprägung sind mehrere bis viele Gene – sogenannte Polygene oder QTL (von engl. quantitative trait loci) – beteiligt. Die züchterische Nutzung der quantitativen Resistenz wird durch ihre komplexe Vererbung wesentlich erschwert. Außerdem unterliegt die Ausprägung der quantitativen Resistenz einem erheblichen Umwelteinfluss. Resistenztests müssen daher über mehrere Jahre und in verschiedenen Umwelten (Jahre × Prüforte) durchgeführt werden, um belastbare Daten zu erhalten.

Das primäre Zuchtziel der Sortenzüchtung ist nach wie vor die Steigerung des Ertrages, gefolgt von der Verbesserung der Qualität bzw. Verwendungseignung (Dale und Bradshaw, 2006; Ross, 1986). In der Kartoffelzüchtung werden besonders komplexe Zuchtziele verfolgt. So werden in einer modernen Kartoffelsorte 60 bis 70 wichtige Merkmale vereint. Dies stellt die Züchtungsforschung vor erhebliche Herausforderungen, weil es nicht ausreicht, das Vorkommen neuer Genvarianten für Krankheits­resistenz in exotischen pflanzengenetischen Ressourcen nachzuweisen. Vielmehr gilt es aufzuzeigen, dass es gelingen kann, solche Genvarianten auch züchterisch, d.h., unter weitgehender Bewahrung der Anbau- und Nutzungseignung, zu erschließen und zu verwenden.

Der Einsatz von Wildart-Eltern als Resistenzressourcen in konventionellen Züchtungsprogrammen ist wegen ihrer anderweitigen, in der Regel nachteiligen Eigenschaften (Abb. 6) problematisch. Wertbestimmende Merkmale wie Ertrag, Knollengröße und -form, Augentiefe, Speiseeignung usw. müssen anschließend wieder auf das Niveau der Kultursorte gebracht werden, ohne dabei die eingekreuzte polygene Phytophthora-Resistenz zu verlieren. Dies wird durch wiederholte Rückkreuzung der Arthybriden mit der Kulturform und Auslese solcher Nachkommen erreicht, die sowohl quantitativ resistent als auch akzeptabel im Hinblick auf die 60 bis 70 wertbestimmenden Merkmale von Kartoffelknollen erscheinen. Am Ende jedes Rückkreuzungszyklus bleiben nur wenige Nachkommen übrig, die dann für erneute Rückkreuzungen mit der Kulturform ausgewählt werden. Um im Laufe dieser Rückkreuzungen neue Kombinationen von Re­sistenz-Polygenen herbeizuführen und die quantitative Phytophthora-Resistenz auf einem lohnenden Niveau zu halten, müssen zwischen den Rückkreuzungen zusätz­liche Kreuzungsschritte zwischen resistenten Nachkommen durchgeführt werden.

Abb. 6. Knollen-Vergleich, links Wildarten, rechts Kultur­kartoffel.

Es liegt somit auf der Hand, dass bei der Nutzung polygen bedingter Resistenz mit Hilfe konventioneller Züchtungsmethoden das Resistenzniveau im züchterisch relevanten Kulturkartoffel-Genpool nur allmählich und schrittweise angehoben werden kann (Darsow, 2008).

Die hier dargelegten Ergebnisse belegen, dass eine deutliche Anhebung des Resistenzniveaus durch die Nutzung der quantitativen, polygen bedingten Resistenz möglich ist, auch in der Kombination mit früher Abreife und einem geeigneten Ausprägungsniveau weiterer, wertbestimmender Merkmale für verschiedene Verwertungsrichtungen. Die Einkreuzung von QTL für quantitative Phytophthora-Resistenz in aktuelles Zuchtmaterial wird in Zukunft durch molekulare Selektionsmarker vereinfacht werden (Wenzel, 2006).

Zusammenfassend bietet die genetische Erweiterung des Kulturkartoffel-Genpools durch konsequentes und langfristig orientiertes Prebreeding interessante Perspektiven für einen ökologisch und ökonomisch nachhaltigen Kartoffelbau.