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Phytopathologische Pilze und ihre Bekämpfung

Pilzbefall von Nutzpflanzen hat nicht nur in der Vergangenheit das Schicksal ganzer Nationen beeinflusst, sondern bedroht auch heute noch die Welternährungssituation. Es besteht dringender Bedarf an der Entwicklung neuer umweltschonender Agrarfungizide, da die Pilze gegen herkömmliche Pflanzenschutzmittel Resistenzen entwickeln. Dabei spielen aus Pilzen selbst gewonnene Naturstoffe als spezifische Angriffspunkte im Metabolismus der Schädlinge eine große Rolle.

Pilzinfektionen verursachen in der Landwirtschaft jährlich Schäden von vielen Milliarden Euro. Sie haben das Schicksal ganzer Nationen bestimmt. Ein Beispiel von trauriger Berühmtheit ist die Vernichtung der Kartoffelernte in Irland 1844/45 durch den wahrscheinlich aus Mexiko eingeschleppten Algenpilz Phytophthora infestans, den Erreger der Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel. Es kam zu einer Hungersnot, bei der etwa eine Million Menschen starben. Weitere zwei Millionen emigrierten nach den USA und Australien. Bis heute hat die Bevölkerung Irlands nicht den Stand vor dieser Katastrophe erreicht. Während die Amtskirche die Missernte als Strafe Gottes für Verschwendungssucht in der Vergangenheit beschrieb und ein Kleriker sogar die Meinung äußerte, dass es die Dampflokomotiven seien, die mit der schwindelerregenden Geschwindigkeit von 30 Stundenkilometern über die Insel donnerten und dabei schädliche elektrische Impulse auf die Äcker sendeten, war es ein anderer Geistlicher, der englische Amateur-Naturforscher Miles Berkeley, der unter dem Mikroskop die Pilzfäden an infizierten Kartoffelpflanzen beobachtete und als Ursache der Kartoffelfäule beschrieb. Er stieß auf heftigste Ablehnung. Erst fünfzehn Jahre später bestätigte der deutsche Pflanzenpathologe Anton de Bary die Beobachtung Berkeleys und konnte auch beweisen, dass sich der Pilz durch winzige Sporen von Pflanze zu Pflanze verbreitet.

Hoffnungen und Enttäuschungen in der Bekämpfung der Kartoffelfäule

Kartoffelfäule, hervorgerufen von Phytophthora infestans © Syngenta

Betroffen war nicht nur Irland. Ähnlich katastrophal waren die Ausfälle der Kartoffelernten in Deutschland im Jahr 1917 bis 1918. Noch leben einige Zeitzeugen, die von den Schrecken des „Steckrübenwinters" im Ersten Weltkrieg in der Folge dieser Missernten berichten können. Später glaubte man schon, dass man den Pilz besiegen könne, als man in Mexiko eine gegen Phytophthora resistente Wildkartoffel entdeckte, deren Resistenzgene in nahezu alle europäischen Kartoffelsorten eingekreuzt wurden. Darüber hinaus entwickelte die chemische Industrie Fungizide, um dem Algenpilz endgültig den Garaus zu machen.

Davon ist man weit entfernt. Auch heute noch gilt Phytophthora für die Landwirtschaft als einer der gefährlichsten Pilze.

Exkurs:
Tatsächlich ist Phytophthora nach neueren Erkenntnissen gar kein echter Pilz, sondern gehört als Vertreter der Oomyceten zusammen mit  Braun- und Kieselalgen sowie einigen weiteren Algengruppen zu den Heterokonten oder Stramenopilaten. Unter den Oomyceten, die sich von den Pilzen unter anderem dadurch unterscheiden, dass sie begeißelte Zoosporen bilden und ihre Zellwand aus Zellulose und nicht aus Chitin besteht, findet man noch andere berüchtigte Pflanzenschädlinge, darunter Peronospora und seine Verwandten wie Plasmopara viticola, den Falschen Mehltau der Weinrebe. Echter Mehltau (verschiedene Arten der Familie Erysiphaceae) gehört dagegen zu den Ascomyceten, also echten Pilzen.

Neben Kartoffeln befällt P. infestans auch Tomaten, wo er die Kraut- und Braunfäule hervorruft, sowie eine Reihe anderer Pflanzen. Man schätzt die durch ihn hervorgerufenen Ernteeinbußen weltweit auf etwa zwanzig Prozent.

Auf jede Strategie zu seiner Bekämpfung reagierte der Pilz mit der Entwicklung neuer Resistenzen. Mitte der 80er-Jahre des 20. Jahrhunderts tauchten in Europa ganz neuartige aggressive Phytophthora-Stämme auf – wiederum aus ihrem Genzentrum in Mexiko eingeschleppt. Die Pilze vermehren sich neuerdings sogar geschlechtlich, was ihre Variabilität weiter erhöht. Bis dahin hatte man in Europa nur asexuelle Fortpflanzung beobachtet.

Es gab vielverspechende gentechnologische Ansätze zur Bekämpfung von Phytophthora: Forscher am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung entwickelten ein komplexes Zwei-Komponenten-System, bei dem das Ribonuclease (RNase)-Gen eines Bodenbakteriums unter die Kontrolle des Promotors eines Pathogen-Abwehrgens aus der Kartoffel gestellt wurde; nach Infektion mit dem Pilz erfolgte eine Genaktivierung und die gebildete RNase tötete die infizierte Zelle ab. Die genehmigten und vom BMBF finanziell unterstützten Freilandversuche im Rahmen der Sicherheitsforschung konnten aber nicht fortgeführt werden, nachdem Gentechnikgegner das Feld und die Versuchspflanzen zerstört hatten. So liegen die Strategien zur Schadpilzbekämpfung weiter bei der chemischen Industrie, die mit der Entwicklung neuer Fungizide und Kombinationspräparate gegen die Resistenzbildung bei den Pilzen vorgeht.

Helminthosporium und Magnaporthe

Natürlich geht es nicht nur um den Schutz der Kartoffel. Auch bei den anderen großen Welternährungspflanzen wie Weizen, Reis und Mais kommt es jährlich zu immensen Schäden durch Pilzbefall. Der Ascomycet (Schlauchpilz) Magnaporthe grisea, der Erreger des Reisbrandes, vernichtet jedes Jahr schätzungsweise ein Fünftel der Reisernte Ostasiens - genug, um 60 Millionen Menschen davon zu ernähren. Ein weiterer berüchtigter Schädling ist Helminthosporium, ebenfalls ein Ascomycet, der die Blattfleckenkrankheit bei Mais und anderen Getreiden hervorruft. In den 1970er-Jahren verursachte er gewaltige Schäden in nordamerikanischen Maispflanzungen. Ende der 1990er-Jahre trat er erstmals in Maisbeständen der Oberrheinebene, später auch in Rheinland-Pfalz, Hessen und Bayern wirtschaftlich bedeutsam in Erscheinung. Die Krankheit schien nach 2003 zunächst abzuklingen, aber seit zwei Jahren meldete sie sich verstärkt in fast ganz Deutschland zurück.

Exkurs:
Auch bei solchen Schädlingen kann man bisweilen positive Aspekte finden: Anfang 2008 entdeckte ein Forscherteam des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg in Helminthosporium carbonum einen Wirkstoff, der auf Neuroblastomzellen toxisch wirkt und möglicherweise zu einem Medikament gegen diese Krebserkrankung, die vor allem im Kindesalter auftritt, entwickelt werden kann (siehe Artikel:" Pflanzenschädling liefert Wirkstoff gegen das Neuroblastom").

Strobilurine – eine Erfolgsgeschichte

Strobilurus tenacellus, der Bittere Kiefernzapfenrübling © www.pilz-baden.ch

Große Hoffnung zur chemischen Bekämpfung von Helminthosporium und anderen Schadpilzen setzte man in die neue Fungizidklasse der Strobilurine. Sie wurde in den 1970er-Jahren von Timm Anke, seit 1981 Professor für Biotechnologie an der Universität (heute: Technische Universität) Kaiserslautern, in dem Kiefernzapfenrübling (Strobilurus tenacellus) entdeckt und kommt auch in einigen anderen Basidiomyceten (Hutpilzen) vor. Um ihre Stabilität zu erhöhen und ihr Wirkspektrum zu verbreitern wurden die natürlichen Strobilurine chemisch verändert. Die ersten Fungizide kamen 1996 auf den Markt; im gleichen Jahr erhielt Anke für ihre Entdeckung den Karl Heinz Beckurts-Preis. Heute sind etwa elf verschiedene Strobilurin-Fungizide erhältlich, die unter anderem von den Firmen BASF, Bayer und Syngenta vertrieben werden.

Strobilurin A © ibwf

Da ihre Toxizität bei Tieren und Pflanzen gering ist und sie rasch im Boden abgebaut werden, sie andererseits sehr spezifisch die mitochondriale Atmungskette von Pilzen blockieren, galten sie geradezu als ideale Fungizide, und der Weltumsatz mit ihnen lag bald im Milliarde-Dollar-Bereich. Inzwischen haben leider (und erwartungsgemäß) zahlreiche Pilze Resistenzen gegen Strobilurine oder Azole entwickelt, so dass dringender Bedarf an der Entwicklung neuer Fungizide besteht.

Das Institut für Biotechnologie und Wirkstoff-Forschung in Kaiserslautern

Prof. Dr. Timm Anke © Universität Kaiserslautern

Prof. Timm Anke  und seine Frau, Prof. Heidrun Anke, haben 1998, aufbauend auf den mit der Entdeckung der Strobilurine verbundenen Erfolgen, das Institut für Biotechnologie und Wirkstoff-Forschung e.V.  (IBWF) gegründet und mit ihren Mitarbeitern und Partnern zu einem einzigartigen Kompetenzzentrum der angewandten Mykologie ausgebaut. In dem Institut auf dem Campus der Technischen Universität Kaiserslautern wurden etwa 10.000 verschiedene Stämme aus allen großen taxonomischen Pilzgruppen der ganzen Welt zusammen getragen, die einem Team von Mikrobiologen, Biochemikern, Chemikern und Molekularbiologen dazu dienen, neue biologisch aktive Substanzen und Enzyme aus Pilzen zu entwickeln. Über 20 Patente und 500 Publikationen zeugen von der erfolgreichen Arbeit des IBWF.

In einem konzertierten Forschungsansatz untersuchen die Wissenschaftler am Institut die infektionsrelevante Differenzierung in phytopathogenen Pilzen als Angriffsort für moderne Fungizide, die das vegetative Wachstum von bodenständigen oder Mykorrhiza-assoziierten Pilzen nicht beeinträchtigen. Ein Beispiel für einen Differenzierungsprozess, der durch nicht-fungitoxische Pflanzenschutzmittel während der Präpenetrationsphase (bevor der Pilz in die Wirtspflanze eindringen kann) gehemmt wird, ist die Melaninbiosynthese im Reisbranderreger Magnaporthe grisea (siehe oben).

Die Erforschung von Pilzwirkstoffen am IBWF ist jedoch, weit über die Landwirtschaft hinaus, auch für Pharmakologie und Medizin von Interesse. So wurde mit der Entdeckung von Galiellalacton, einem Metaboliten des Becherpilzes Galiella rufa, der erste Inhibitor des durch Interleukin-6 vermittelten Signalweges entdeckt, der eine bedeutende Rolle bei verschiedenen Entzündungsprozessen spielt.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/phytopathologische-pilze-und-ihre-bekaempfung