Der Wald im Klimawandel: Mehltauresistente Eichen identifizieren und zur Waldverjüngung nutzen
Weißer Belag auf den Blattoberseiten offenbart den Mehltau, der vor allem junge Eichen befällt und ihnen lebensnotwendige Nährstoffe entzieht. So wird die Pilzerkrankung zur Herausforderung bei Waldverjüngungsmaßnahmen. Im Verbundprojekt „MetaEiche“ untersuchen Forschende der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) jetzt gemeinsam mit der Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft (FAWF) in Trippstadt, wie sich resistente Eichen gezielt selektieren lassen. Der Waldklimafond des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) fördert das Vorhaben mit rund 500.000 Euro.
Die einheimischen Eichenarten Stieleiche (Quercus robur) und die Traubeneiche (Quercus petraea), prägen das Gesicht der deutschen Mischwälder. „In Deutschlandweit machen sie rund 10 Prozent des Baumbestandes aus; in Rheinland-Pfalz liegt ihr Anteil sogar bei gut 20 Prozent“, erklärt Prof. Dr. Matthias Hahn vom Fachbereich Biologie der TUK. „Eichen gehören zu den wertvollsten Waldbäumen, sowohl wegen der hohen Qualität des Holzes als auch aufgrund der großen biologischen Vielfalt an Organismen, die an Eichenstandorten leben. Zudem ist die Eiche aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenheit besser als andere Waldbäume in der Lage, sich dem Klimawandel anzupassen. Es ist daher ein langfristiges Ziel der Waldwirtschaft, den Anteil der Eichen zu steigern.“
Dr. Stefan Seegmüller, Hahns Projektpartner, untersucht an der FAWF in Trippstadt ein natürliches Verfahren der Waldverjüngung, welches in Form von Lichtkegelhiebe erfolgt. „Wir öffnen das Kronendach von Waldbeständen, die häufig von der Buche als größter Konkurrentin der Eiche dominiert werden, auf kleinen Flächen gerade so weit, dass genug Licht für nachwachsende Bäume auf den Boden kommt. Die Eichen bleiben stehen und können ihre Früchte auf die freigelegten Plätze abwerfen. Vitale Jungeichen setzen sich dabei gegen die ebenso nach oben strebenden Buchen mithilfe schnellwachsender Triebe durch. Sind die jungen Blätter und Triebspitzen jedoch von Mehltau befallen, verlieren sie den Konkurrenzkampf. Deswegen ist es für einen klimastabilen Wald wichtig, dass wir mehltauresistente Eichen fördern.“
In einem Waldstück bei Trippstadt hat Seegmüller in den vergangenen Jahren Eichenkeimlinge verschiedener Herkunft gepflanzt. Diese werden in Klimakammern überführt und anschließend von den Biologen der TUK mit einem eigens entwickelten Infektionsverfahren auf ihre Empfindlichkeit gegen Mehltau getestet. Die Wissenschaftler sind auf der Suche nach Abwehrmechanismen, die im Erbmaterial der Bäume verankert sind. „Wir beobachten häufig deutliche Unterschiede im Befall direkt benachbarter Bäume oder Jungpflanzen“, so Hahn. „Diese Unterschiede beruhen offenbar zumindest teilweise auf vererbbaren Eigenschaften, die einigen Bäumen eine teilweise Resistenz gegenüber dem Mehltau verleihen. Ein wesentliches Ziel des Projekts ist der eindeutige Nachweis und die Nutzung dieser genetisch determinierten Resistenzmechanismen, um bei der Regeneration von Eichenbeständen die vitalen und wenig anfälligen Individuen auslesen zu können.“
Abschließendes Ziel der Projektpartner ist es, den Infektionsvorgang des Mehltaupilzes und die Abwehrreaktionen der Eichenkeimlinge im Detail zu entschlüsseln. Auf dieser Basis wollen die Forscher einen schnellen und zuverlässigen Test zur Ermittlung des Mehltau-Abwehrpotenzials der Pflanzen für die waldbauliche Praxis entwickeln – zunächst in Klimakammern im Labor, nachfolgend auf Demonstrationsflächen im Wald.
Das Projekt „MetaEiche“ steht darüber hinaus in einem thematischen Zusammenhang mit einem weiteren derzeit vom Waldklimafonds finanzierten Forschungsvorhaben zur Förderung von Eichen: Das Projekt ‚Survivor Oaks‘, das von Forschenden am Thünen-Institut für Forstgenetik bei Hamburg und dem Helmholz Zentrum in München geleitet wird, zielt vor allem auf die Selektion und den Anbau von Eichen, die eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Insekten und Trockenheit aufweisen. „Aufgrund der Schnittmengen zwischen beiden Vorhaben haben wir eine Kooperation vereinbart und werden uns gegenseitig unterstützen“, ergänzt Hahn.
Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Matthias Hahn
Fachbereich Biologie an der TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2402
Email: hahn@biologie.uni-kl.de
Infection mechanisms, fungicide resistance and genetic diversity of Botrytis cinerea and related Botrytis spp.
Our research focuses on the grey mould fungus, Botrytis cinerea, a major pathogen of more than 200 fruits, vegetables, ornamental flowers and other crop plants. By using molecular genetic, cytological and genomic/ transcriptomic approaches, we are studying the molecular tools that enable B. cinerea and related Botrytis spp. to colonize their host plants. Another focus is the investigation of fungicide resistance mechanisms and the problem of massive fungicide resistance development of B. cinerea in agricultural environments.
1. Infection mechanisms of Botrytis cinerea and the role of the phytotoxic secretome
Botrytis cinerea attacks hundreds of mostly dicotyledonous plant species, causing serious pre- and postharvest losses in fruits, vegetables, ornamental flowers and other crop plants. As a necrotrophic pathogen, B. cinerea rapidly kills the host cells and colonizes the dead host cells. Several components have been identified that contribute to infection, including the phytotoxins botrydial and botcinin (Dalmais et al., 2011), cell wall degrading enzymes (Kars et al., 2005; Nafisi et al., 2014), and various phytotoxic proteins (Arenas et al., 2010; Noda et al., 2010; Zhang et al., 2015; Gonzalez et al., 2017; Zhu et al., 2017). B. cinerea induces cell death by triggering the plant hypersensitive response, thus exploiting a host defense mechanism for infection (Govrin & Levine, 2000). However, different plant suicide pathways exist, which differently promote resistance and susceptibility to necrotrophic fungi (Lai et al., 2011; Kabbage et al., 2013), and it is still unclear how B. cinerea overcomes the suicide- associated host defenses. Secretion of oxalic acid (OA) and host tissue acidification have been suggested to contribute to virulence of B. cinerea (Prusky et al., 2013). A recent investigation of an oahA mutant lacking did not clearly support a role of OA in acidification and infection (Müller et al., 2018). As described above, the secretome of B. cinerea contains a mixture of phytotoxic components, however, none of them alone has proven to be critical for the infection process. We therefore assume that B. cinerea has adopted a host killing strategy involving the release of a redundant mixture of phytotoxic metabolites and proteins. In order to assess the relative importance of each of these components, a comprehensive approach involving sequential ablation of the phytotoxic potential, as well as determining the role of each individual component is required. We are currently developing improved strategies for mutagenesis of B. cinerea, including optimizing the simultaneous use of different resistance markers for selection, and CRISPR-Cas-based methods that enable the generation of multiple mutants and the introduction of site-specific changes in the B. cinerea genome.