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Julius Kühn-Institut (JKI)
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

Institutsleitung
Professor Dr. Wilhelm Jelkmann

Adresse
- Bereich Obstbau -
Schwabenheimer Straße 101
69221 Dossenheim

Sekretariat
Silvia Kowalczyk-Binder
Tel: 06221 86805-00
Fax: 06221 86805-15
ow@  julius-kuehn.  de

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-Bereich Weinbau-
Geilweilerhof
76833 Siebeldingen
Tel: 06345 41 - 209
ow@  julius-kuehn.  de

Adresse
Außenstelle beim DLR Mosel
Gartenstraße 18
54470 Bernkastel-Kues
Tel: 06531 - 956 483

Veröffentlichung
Institutsflyer
Broschüre

Zum Jubiläum

Booklet 100 Jahre Pflanzenschutz im Obstbau und Weinbau (nicht barrierefrei)

(Bitte in der vorgegebenen Reihenfolge einseitig ausdrucken, ineinanderlegen und in der Mitte falzen)

 

 

Birnenverfall, Apfeltriebsucht, Steinobstvergilbung oder Flavescence doree – Winzige Erreger (Phytoplasmen) verändern Obstbäume und Reben massiv

Das JKI-Institut für Pflanzenschutz in Obst- und Weinbau forscht seit der Entdeckung dieser Erreger in vorderer Front an Phytoplasmen, ihren Vektoren und den durch sie verursachten Krankheiten an Apfel, Birne, Rebe und Co.

Phytoplasmen – so die Bezeichnung für eine Gruppe von Bakterien ohne Zellwand – manipulieren zahlreiche Pflanzen derart, dass diese sich morphologisch stark verändern. Sie bilden z. B. Hexenbesen oder Rosetten aus, Blüten verlauben oder vergrünen, Pflanzen vergilben und/oder es werden keine bzw. nur kleine ungenießbare Früchte ausgebildet – für den kommerziellen Anbau von Obst ein absolutes No-Go.

Phytoplasmen - lange galten sie als Viren

Phytoplasmen sind wesentlich kleiner als andere Bakterien, unbeweglich und ohne Wirtspflanze nicht lebensfähig. Sie sind nur unter dem Elektronenmikroskop sichtbar. Ihr eigener Stoffwechsel ist extrem reduziert und werden auch als „lebende Zombies“ bezeichnet. Daher nahm die Wissenschaft bis Anfang der 1970er Jahre an, es handele sich um Viren. Von Insekten übertragen, leben sie in den Siebröhren (Phloem) von Pflanzen, die als Abwehrmaßnahme Kallose bilden. Diese lagern sich an den Siebplatten an und „verstopfen“ sie, so dass der Transport von lebensnotwendigen Nährstoffen zum Erliegen kommt. Für Forscherinnen und Forscher bis heute ein Manko: sie lassen sich nicht auf künstlichen Nährböden kultivieren.

Von Anfang an dabei

Am Dossenheimer Institutsteil ist die international beachtete herausragende Forschung an Phytoplasmen eng mit dem Namen SEEMÜLLER verbunden. Apfeltriebsucht oder Birnenverfall – diese richten nicht nur in Deutschland große wirtschaftliche Schäden an - und zahlreiche andere Phytoplasmosen ließen den Wissenschaftler seit Anbeginn der Phytoplasmaforschung bis weit über seinen Ruhestand hinaus nicht mehr los. Zahlreiche seiner Projekte fanden im Austausch mit Forscherteams aus den USA, Frankreich, Italien, England und anderen Ländern statt.

Ob er und sein Team und seine Nachfolger alle Geheimnisse dieser merkwürdigen Organismen lüften konnten? Hier der bisherige Weg:

Anfang der 1970er Jahre gelang der Dossenheimer Gruppe ein Coup: sie entwickelten einen Schnelltest (DAPI-Fluoreszenz-Verfahren), mit dem Phytoplasmen in wenigen Minuten im Gewebe  identifiziert werden konnten. In einer Zeit ohne die heutigen molekularen Schnelltests ein enormer Fortschritt. So konnte endlich erforscht werden, wo Phytoplasmen Apfel- und Birnbäume überhaupt besiedeln, was einige Überraschungen mit sich brachte: So verschwinden die Erreger im Winter aus den Pflanzen in die Wurzel, um von hier aus im Frühjahr die oberirdischen Pflanzenteile erneut zu besiedeln. Da alle Obstbäume veredelt (gepfropft) werden, stand die Frage im Raum, ob es resistente Unterlagen (mit der Wurzel) gibt. SEEMÜLLER entdeckte stark unterschiedlich virulente Stämme der Apfeltriebsucht. Frapierend war, dass trotz eines Nachweises der Erreger einige Bäume äußerlich gesund aussahen.

Die Forschergruppe mit zahlreichen Doktoranden und Diplomanten arbeitete quasi ganzheitlich. Sie wiesen nicht nur zahlreiche durch Phytoplasmen hervorgerufene Krankheiten an Obst nach, sondern untersuchten ebenso die Lebensweise der Erreger und die durch sie entstehenden Krankheiten.

Aufklärung Verwandtschaft mit PCR endlich möglich

Als Meilenstein der Phytoplasmaforschung gilt, dass neben der genauen Diagnose auch die Verwandtschaftsverhältnisse vieler Phytoplasmen am Institut akribisch aufgeklärt werden konnten. Das gelingt seit der Einführung der wesentlich selektiveren und empfindlicheren Nachweise mit dem Aufkommen der PCR-Technik Anfang der 1990er Jahre und der am Institut entwickelten Diagnostik. Seit kurzer Zeit sind außerdem quantitative Nachweise von Phytoplasmen mit der „real-time-PCR“ möglich. Die Arbeitsgruppe um SEEMÜLLER hat maßgeblich dazu beigetragen, dass diese Organismen seit 1994 als Phytoplasmen eine gesicherte taxonomische Stellung haben. So sind z. B. die Erreger der Apfeltriebsucht, des Birnenverfalls und der später entdeckten Europäischen Steinobstvergilbung nahe verwandt.

Resistente Unterlagen

Da Phytoplasmen wie Viren nicht direkt bekämpft werden können, zurück zur Idee der Züchtung resistenter Obstbaumunterlagen. Der erste Projektantrag aus dem Institut liegt inzwischen ca. 20 Jahre zurück. Unterlagen mit den gewünschten Wuchseigenschaften wurden mit resistenten Wildäpfeln gekreuzt. Nach mehreren Rückkreuzungen – ein langwieriger Prozess - sieht es heute so aus, dass geeignete Kandidaten gefunden werden konnten. Bei Birnen sind die ebenfalls langjährigen Versuche ähnlich weit gediehen.

Übertragungswege und Ursache für Krankheitssymptome

Insekten, die Phytoplasmen in ihrer Speicheldrüse enthalten, übertragen die Erreger, wenn sie an den Wirtspflanzen saugen. Bei Obstbäumen und Reben ist weiterhin der Mensch im Spiel, der die Erreger über die Pfropfung weitergeben kann. Erst nach einer bestimmten Inkubationszeit, in der sich die Phytoplasmen im Insekt vermehren, kann der Vektor (Blattflöhe, Zikaden) beim nächsten Anstich die Erreger weitergeben. Da viele Vektoren auch auf anderen Pflanze leben, muss ihre Biologie und Lebensweise gut bekannt sein, um sie erfolgreich zu bekämpfen.

Wodurch die Krankheitssymptome in den Pflanzen ausgelöst werden, ist bis heute nicht vollständig geklärt. Belegt ist seit einigen Jahren, dass der Hormonhaushalt der Pflanze infolge der Infektion verändert wird und es dadurch zu den Wuchsveränderungen kommt. Erst kürzlich untersuchten die Dossenheimer Forscherinnen und Forscher zusammen mit der Universität Jena die nach einer Infektion mit Phytoplasmen hervorgerufenen morphologischen und physiologischen Veränderungen im Phloem bei drei für den Obstbau relevanten Pathogen-Wirt-Systemen: Apfeltriebsucht bei Apfel, Birnenverfall bei Birne und Europäische Steinobstvergilbung bei Pfirsich. Dabei ergaben sich große Unterschiede mit enormen Auswirkungen. Im Gegensatz zu den Birnen- und Pfirsichpflanzen, die nach einer Infektion nach Wochen oder wenigen Jahren abstarben, kam es bei den noch Jahrzehnte überlebenden Apfelbäumen zu Veränderungen in den Gefäßen. Deren Saftfluss war lediglich reduziert, so dass die Bäume anscheinend eine gewisse Toleranz entwickeln und die Infektion überleben können.

Referenzsammlung am Institut

Verwendung finden bei den Forschungen gesunde und infizierte Apfelbäume oder infizierte und nicht infizierte Modellpflanzen, allen voran Vinca (Catharanthus roseus) und Tabak. Mit der Modellpflanze Vinca hat es etwas Besonderes auf sich. Sie eignet sich hervorragend, die Symptome einer Infektion zu studieren wie z. B. die Bildung von Kallose in den Siebröhren oder die Veränderungen bei den Blüten. Das Institut begann bereits vor  über 30 Jahren, eine Referenzsammlung verschiedener Phytoplasmen auf Vinca-Pflanzen aufzubauen. Der Hintergrund: Phytoplasmen können mit Cuscuta-Pflanzen (deutsche Namen: Seide, Teufelszwirn u. a.) auf Vinca-Pflanzen übertragen werden. Diese Sammlung ist inzwischen ein wichtiger Teil des Nationalen Referenzlabors für Schadorganismen an Pflanzen (siehe Viren). Frau ZIKELI ist dabei neben ihren Forschungen für alle notwendigen Aufgaben zuständig wie die Vorbereitung der Akkreditierung und Ausarbeitung der Diagnoseprotokolle für die molekularen Nachweisverfahren. Das Institut stellt Ländern und Institutionen für über 30 ökonomisch bedeutende Phytoplasmenisolate Positivmaterial zur Verfügung.

Phytoplasmosen im Weinbau

Im Weinbau ist neben der Schwarzholzkrankheit (Bois noir, BN) die Flavescence dorée (FD) die zurzeit wirtschaftlich gefährlichste Phytoplasmen-Krankheit der Rebe in Europa. Letztere wird enorm effektiv von der Amerikanischen Rebzikade übertragen. In der EU als Quarantäneschaderreger eingestuft, müssen kranke Reben oder ganze Weinberge gerodet und der Vektor bekämpft werden. Sie kann ebenfalls durch Pfropfung übertragen werden. Erreger wie auch Überträger breiten sich derzeit von Süden nach Norden aus. Am Siebeldinger Institutsteil forscht MAIXNER seit Jahren an diesen Erregern. Ein 2021 vom ihm durchgeführtes Symposium beleuchtete neben der komplexen Epidemiologie der Flavescence dorée (auch Wildpflanzen werden befallen u.v.m.), wie wichtig ein konsequentes Monitoring ist, damit die Krankheit frühzeitig erkannt und der Überträger bekämpft wird. Dazu gehört ebenfalls die schon oft angesprochene Diagnostik, um den Quarantäneschaderreger FD von nahe verwandten Phytoplasmen einfach und schnell zu unterscheiden.

Entschlüsselung des Genoms und Versuche zur in-vitro-Kultivierung

Die Phytoplasmen waren und sind eine schwierig zu bearbeitende Gruppe von Bakterien, die bis heute immer noch viele Fragen aufwirft. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass es trotz zahlreicher Versuche bisher nicht gelang, sie in zellfreiem Medium zu kultivieren. Das JKI-Institut hat dabei schon einen langen Atem bewiesen. SEEMÜLLER und SCHNEIDER erkannten früh, dass die Entschlüsselung des Genoms der Apfeltriebsucht ein wichtiger Schritt sein müsste. Dies gelang einem Team, zu dem das Institut gehörte, im Jahr 2008 (*1). Allerdings zerstörte das sehr kleine lineare Chromosom (!) die Hoffnung der Forschergruppe, endlich Klarheit darüber zu gewinnen, welche Nährstoffe Phytoplasmen benötigen - ein wesentlicher Aspekt für eine in-vitro-Kultivierung. Diese Erreger „stehlen“ jedoch die meisten überlebenswichtigen Bausteine wie Aminosäuren und vermutlich auch ATP, den Energielieferanten lebender Zellen, von ihren Wirtspflanzen.


(1*) = KUBE et al. (Max Planck Institut für Molekulare Genetik Berlin, JKI und Biozentrum der Universität Würzburg, Institut für Bioinformatik)

Die Suche nach Virulenzfaktoren

Das nun bekannte Genom lieferte dennoch einen enormen Input für neue Forschungsansätze. Vor allem SEEMÜLLER begann (nach seiner offiziellen Zeit am Institut), nach sogenannten Effektorproteinen (Virulenzfaktoren) zu suchen, die für den Ausbruch der Krankheit verantwortlich sind. Wie bereits bekannt, kommen bei der Apfeltriebsucht avirulente, milde, moderate oder stark virulente Phytoplasmen-Stämme vor. Erst kürzlich konnten im Verbund mit anderen Arbeitsgruppen bei der Apfeltriebsucht ATPasen (Enzyme) als sehr aussichtsreiche Kandidaten identifiziert werden.

Ein Blick in die Zukunft

Die Arbeit mit Phytoplasmen bleibt spannend. Es sieht so aus, als gibt es noch zahlreiche weitere Virulenzfaktoren aufzuspüren, die mit beiden Wirten – den übertragenden Insekten und den infizierten Pflanzen – interagieren. Die weitere Aufklärung dieser Phänomene sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg, Phytoplasmen künftig direkt bekämpfen zu können. Dies ist für das JKI-Phytoplasmateam ein wichtiges Ziel ihrer anwendungsorientierten Forschung.