Kartierung des Weizenmehltau in Europa

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Geschwindigkeit der DNA-Sequenzierungstechnologie im Bereich der molekularen Epidemiologie enorm verbessert. Diese Technologie ermöglicht es Forschern, die genetische Zusammensetzung von Krankheitserregern in Echtzeit zu untersuchen, was entscheidend ist, um menschliche Krankheiten zu verstehen und zu kontrollieren. Ein gutes Beispiel dafür war die COVID-19-Pandemie, bei der Forscher wöchentlich viele Virusgenome sequenzierten, um die Ausbreitung des Virus zu verfolgen, neue Varianten zu überwachen und bei der Impfstoffentwicklung zu helfen.

#Bedeutung in der Landwirtschaft

Krankheitserreger bedrohen nicht nur die menschliche Gesundheit, sondern haben auch erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft und verursachen jährlich massive Ernteverluste. Beispielsweise sind mikrobiologische Krankheitserreger für etwa 20 % der Verluste bei wichtigen Kulturen wie Weizen verantwortlich. Schon bevor die ganze Genomsequenzierung aufkam, erkannten Forscher, dass das Verständnis der Genetik von Pflanzenpathogenen die Krankheitsbekämpfung verbessern könnte. Die Kombination dieser genetischen Studien mit fortschrittlichen Sequenzierungstechniken hat ein erneutes Interesse an der Nutzung von Pathogeninformationen geweckt, um Schädlinge besser zu managen und resistente Pflanzen zu züchten.

Genomdaten sind entscheidend, um verschiedene landwirtschaftliche Krankheiten zu untersuchen, wie das Olive Quick Decline Syndrome in Italien und die jüngsten Ausbrüche von Weizenschwamm in Ländern wie Sambia und Bangladesch. Obwohl das Wissen über diese Krankheitserreger gewachsen ist, gibt es immer noch Lücken in Bezug auf ihre Biologie, einschliesslich wie weit ein Krankheitserreger in einer Saison verbreitet werden kann und wie verbunden verschiedene Epidemien in verschiedenen Regionen sind. Leider fehlt oft der nötige Nachweis, um diese grundlegenden Fragen zu beantworten.

#Fokus auf Weizenmehltau

Diese Studie untersucht Weizenmehltau in Europa und dem Mittelmeerraum, der eine wichtige Region für die weltweite Weizenproduktion ist. Mehltau, verursacht durch den Pilz Blumeria graminis forma specialis tritici (Bgt), befällt die Blätter, Stängel und Ähren des Weizens. Obwohl er überall dort vorkommt, wo Weizen angebaut wird, gedeiht er besonders gut in kühleren, feuchten Klimazonen – typisch für Nordeuropa.

Aktuell wird Mehltau mit chemischen Fungiziden und durch die Züchtung resistenter Weizensorten bekämpft. Allerdings zeigen Bgt-Populationen zunehmend Resistenzen gegen Fungizide, und neue resistente Sorten bieten oft nur eine vorübergehende Lösung. Die Langlebigkeit der genetischen Resistenz hängt sowohl davon ab, wie sich Krankheitserreger entwickeln, als auch von den Mechanismen hinter der Resistenz.

Bgt ist bekannt dafür, sich sowohl sexuell als auch asexuell zu reproduzieren, aber neuere genomische Studien legen nahe, dass sexuelle Fortpflanzung nicht häufig vorkommt. Ausserdem deuten verfügbare Daten darauf hin, dass europäische Bgt-Proben weitgehend einheitlich sind, was auf eine einzige, miteinander verbundene Population auf dem Kontinent hindeutet. Allerdings basieren diese Studien auf begrenzten Proben aus verschiedenen Jahrzehnten.

#Forschungsziele

Hier wollen wir einige ungelöste Fragen zum Weizenmehltau angehen, indem wir eine umfassende Probenahme der Bgt-Populationen über zwei aufeinanderfolgende Jahre, 2022 und 2023, durchführen, gefolgt von einer ganzen Genomsequenzierung. Wir möchten zeigen, wie Populationsgenomik und molekulare Epidemiologie wichtige Einblicke in die Biologie von Krankheitserregern bieten und Kontrollstrategien informieren können.

#Methodik

#Probenahme und Sequenzierung

Um die Dynamik der Weizenmehltau-Epidemien in Europa zu verstehen, organisierten wir eine umfangreiche Probenahme über zwei Anbausaisons. Wir sammelten 276 neue Bgt-Stämme aus über 90 Standorten in 20 Ländern in Europa und dem Mittelmeerraum. Diese Proben wurden sequenziert, und wir kombinierten unsere neuen Daten mit öffentlich verfügbaren Genomsequenzen von früheren Isolaten. Nach der Qualitätsfilterung konzentrierte sich unsere Analyse auf 568 Proben, was über 3,5 Millionen hochkonfidenten genetischen Markern zur Untersuchung der Populationsdynamik ergab.

#Analyse der Populationsstruktur

Wir untersuchten die Populationsstruktur unserer Proben mit verschiedenen Methoden, die es uns ermöglichten, Isolate basierend auf ihrer geografischen Verteilung zu gruppieren. Unsere Ergebnisse zeigten fünf verschiedene Gruppen, die jeweils grob verschiedenen Regionen in Europa und dem Mittelmeerraum entsprechen. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass Weizenmehltau in Europa keine einzige homogene Population ist, sondern aus mehreren gut definierten Gruppen besteht.

#Ergebnisse

#Populationsverteilung

Insgesamt zeigte unsere Analyse, dass verschiedene Bgt-Populationen in Europa unterschiedliche Grade der Vernetzung aufweisen. Zum Beispiel scheint die Bgt-Population in Nordeuropa weitgehend homogen zu sein, was auf einen umfangreichen Genaustausch hindeutet. Im Gegensatz dazu identifizierten wir in Südeuropa unterschiedliche Gruppen, was auf eine geringere Vernetzung und kleinere, lokalere Populationen hinweist.

#Genaustausch und Mischung

Unsere Forschung entdeckte Hinweise auf Genaustausch zwischen Populationen, wobei mehrere Isolate zwischen den Gruppen liegende genetische Merkmale aufwiesen. Das deutet auf ein komplexeres Genetisches Bild hin, als zuvor erkannt.

#Muster genetischer Vielfalt

Wir untersuchten die Faktoren, die die genetische Vielfalt innerhalb der Bgt-Populationen beeinflussen, einschliesslich Distanz, Klima und Umweltvariablen. Unsere Analyse deutete darauf hin, dass die Windverbindung einen erheblichen Einfluss auf die Populationsstruktur hat, was die Idee verstärkt, dass der Wind ein primäres Verbreitungsmedium für diese Krankheitserreger ist.

#Diskussion

#Auswirkungen der Ergebnisse

Unsere Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf das Verständnis, wie sich Weizenmehltau verteilt und in verschiedenen Regionen besteht. Der hohe Genaustausch in Nordeuropa deutet darauf hin, dass koordinierte Zuchtmassnahmen in dieser Region effektiv sein könnten. Im Gegensatz dazu könnten in Südeuropa, wo die Populationen lokalisierter sind, gezielte Strategien erforderlich sein.

#Evolutionsdynamik

Wir fanden Beweise für eine fortlaufende Evolution in Bgt-Populationen, vermutlich angetrieben durch Umweltveränderungen und landwirtschaftliche Praktiken. Unsere Analyse deutete darauf hin, dass das Kingman-Coaleszenzmodell, das häufig zur Untersuchung von Populationsdynamik verwendet wird, für Bgt möglicherweise nicht geeignet ist. Das deutet darauf hin, dass andere Modelle genauere Darstellungen davon liefern könnten, wie sich diese Populationen im Laufe der Zeit entwickeln.

#Fazit

Unsere Studie hebt die entscheidende Rolle molekularer Werkzeuge hervor, um das Verständnis von Pflanzenkrankheitserregern wie Weizenmehltau voranzutreiben. Durch die Kombination umfassender Probenahmen mit ganzer Genomsequenzierung können wir einzigartige Einblicke in die Populationsdynamik dieser Pathogene gewinnen. Dieses Wissen ist entscheidend für die Entwicklung effektiver Managementstrategien, um Ernteverluste zu minimieren und die Ernährungssicherheit angesichts sich entwickelnder Pflanzenkrankheiten zu gewährleisten.

#Zukünftige Richtungen

In Zukunft wird eine umfassendere Probenahme in verschiedenen geografischen Regionen und Anbausaisons notwendig sein, um unser Verständnis der Faktoren, die die Bgt-Populationen prägen, weiter zu verfeinern. Auch die Integration genetischer Daten in praktische landwirtschaftliche Strategien wird entscheidend sein, um das Resistenzmanagement zu verbessern und die Haltbarkeit neuer Sorten gegen aufkommende Krankheitserreger zu gewährleisten.

#Danksagungen

Wir danken allen Mitarbeitern und Organisationen, die an diesem Forschungsprojekt beteiligt sind und zum Erfolg dieser Studie beigetragen haben.

#Referenzen

• Hinweis: Keine Referenzen enthalten gemäss der Anfrage.