Citrus Greening: Was hilft gegen die globale Orangenkrankheit?

Citrus Greening, Huanglongbing, Gelber Drache: Die Krankheit, ausgelöst durch ein Bakterium, verwüstet ganze Plantagen und gefährdet den Orangenanbau insbesondere in Florida und Brasilien. Wissenschaftler aus Texas verfolgen seit vielen Jahren den Ansatz, Orangenbäume mit Genen auszustatten, die sie in Spinat gefunden haben und die Vermehrung des Erregers eindämmen könnten. Inzwischen werden zunehmend neue genomische Verfahren wie die Gen-Schere CRISPR/Cas genutzt, um Resistenzen zu aktivieren und so die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Citrus Greening zu stärken.

Auslöser des Citrus Greenings ist das Bakterium Candidatus Liberibacter spp. Es infiziert das Phloem, die Nährstoffleitbahnen der Pflanze, wodurch der Nährstofftransport eingeschränkt oder gänzlich blockiert wird. Die Blätter werden fleckig, die Früchte bleiben klein und unregelmäßig geformt. Sie werden bitter und sind dann nicht mehr für den Verkauf oder die Saftproduktion geeignet. Innerhalb von drei bis fünf Jahren sterben die Bäume. Binnen kürzester Zeit können so ganze Anbauregionen vernichtet werden. In Florida sollen inzwischen 80 Prozent der Orangenbäume befallen sein. Seit 2005 sind die Erträge um zwei Drittel gesunken – bei um das Dreifache gestiegenen Produktionskosten.

Erst in den 1960er Jahren entdeckte man, dass die Krankheit von Blattflöhen (Diaphorina citri) übertragen wird. Ein Weibchen legt in seinem einmonatigen Leben bis zu achthundert Eier. Da die Insekten flugfähig sind, kann sich der Erreger schnell verbreiten.

Das krankheitsauslösende Bakterium Liberibacter kommt als afrikanische, asiatische und amerikanische Variante vor. Es tauchte erstmals um 1930 in Indien und China auf, von dort aus verbreitete es sich ab den 50er Jahren weiter, sein Vorkommen blieb aber auf Süd-Ostasien beschränkt. Erst 2004 schaffte der Erreger dann den Sprung über den Ozean nach Brasilien und 2005 nach Florida. Verschont blieben bislang Europa und Australien. Doch der Überträger der afrikanischen Erregervariante breitet sich seit 2015 in Portugal und Nordspanien aus. Und auf Zypern wurde schon der Überträger des hochaggressiven asiatischen Erregerstamms nachgewiesen. In Zeiten der Globalisierung ist es nur eine Frage der Zeit, bis die Krankheit auch in Europa ankommt (siehe Karte rechts).

Der schwierige Kampf mit dem Gelben Drachen

Um Citrus Greening zu bekämpfen, werden bislang vor allem Insektizide gegen die krankheitsübertragenden Blattflöhe eingesetzt – sechs bis zehnmal im Jahr. Die Plantagen müssen ständig überwacht und befallene Bäume sofort entfernt werden. Jungbäume werden nur noch im Gewächshaus großgezogen. In den USA gelten für betroffene Regionen strenge Quarantäneregeln.

Auf herkömmlichem Wege resistente Bäume zu züchten ist nur schwer möglich, da bisher noch kein Orangenbaum entdeckt wurde, der natürlicherweise resistent gegen Liberibacter ist. Aber auch die Biologie der Zitrusgewächse steht dem entgegen. Die Samen enthalten in der Regel nicht nur einen aus der befruchteten Eizelle entstandenen Embryo, sondern zusätzlich mehrere Embryonen, die durch einfache Zellteilung entstanden sind und deshalb nur die Eigenschaften der Mutterpflanze weitervererben. Meistens sind also die Nachkommen genetisch identisch. Für den Zitrusanbau ist das von Vorteil, da so genetisch identische Unterlagen (Wurzelstöcke) herangezogen werden können, auf die dann der Edelreiser mit den gewünschten Eigenschaften aufgepfropft wird. Klassische Kreuzungszüchtung wird aber dadurch erschwert oder gar unmöglich.

Gene aus Spinat wehren Bakterien ab

Seit einigen Jahren wird verstärkt versucht, mit gentechnischen Verfahren Pflanzen zu entwickeln, die gegen Citrus Greening weniger anfällig sind. So wurden verschiedene Gene – aus Zitruspflanzen, aber auch aus anderen Pflanzen und Organismen – übertragen, die eine Resistenz gegenüber dem Bakterium vermitteln könnten.

Ein vielversprechender Ansatz kommt aus Texas. Ein Forschungsteam am AgriLife Research Center hatte entdeckt, dass Spinat bestimmte Proteine – sogenannte Defensine – bildet, welche die Aktivität von Pilzen und Bakterien einschränken. Die Wissenschaftler übertrugen daraufhin zwei der dafür verantwortlichen Gene aus Spinat in Orangenpflanzen. Im Gewächshaus wurden diese transgenen Zitrusbäume mit Liberibacter infiziert. Sie zeigten im Unterschied zu den nicht-transgenen Kontrollpflanzen keine Krankheitssymptome.

Es ist aber auch möglich, nicht die Orangenpflanzen zu verändern, sondern ein natürlich vorkommendes Virus (Citrus Tristeza), das in Zitruspflanzen aktiv ist. In einen harmlosen Stamm dieses Virus wurden die Spinatgene übertragen und Zitrus-Stecklinge mit den so veränderten Viren behandelt. Die mit den Viren „eingeschmuggelten“ Spinatgene werden direkt in antibakterielle Proteine umgesetzt. Diese greifen das Citrus Greening-Bakterium an und verhindern den Ausbruch der Krankheit, die Orangenbäume selbst sind jedoch frei von fremder DNA und gelten nicht als „gentechnisch verändert“. Die Firma Southern Gardens Citrus Nursery hat diesen Ansatz zwischen 2014 und 2021 in mehreren Freilandversuchen getestet.

Mit der Gen-Schere CRISPR/Cas zu resistenten Orangenbäumen

Inzwischen kommen bei der Entwicklung resistenter Zitrusbäume auch zunehmend neue genomische Techniken (NGT) zum Einsatz, vor allem die Gen-Schere CRISPR/Cas. Eine Idee ist es, die für die Krankheitsanfälligkeit verantwortlichen Gene aus dem Genom der Pflanzen zu entfernen. Dabei dürfen jedoch keine „wertvollen“ Gene mit herausgeschnitten oder abgeschaltet werden.

An der University of Florida hat man bereits Erfahrungen bei der Entwicklung resistenter Zitruspflanzen gegen eine andere Krankheit, den Zitruskrebs (Citrus Cancer). Dabei wurde mit der Gen-Schere das für die Anfälligkeit verantwortliche Gen aus dem Genom entfernt. Bei Citrus greening allerdings kommen 40 Gene in Frage, die vermutlich mit dem Ausbruch der Krankheit in Zusammenhang stehen. Das Forschungsteam verfolgt daher mehrere Strategien. Zum einen veränderten die Beteiligten mit CRISPR die „Anfälligkeitsgene“, um die Vermehrung der Bakterien in den Pflanzen zu reduzieren. Zum anderen editierten sie Gene, die mit der Bildung von pflanzeneigenen Abwehrstoffen (Antioxidantien) in Verbindung stehen. Und schließlich veränderten sie Gene im Immun-Signalweg der Pflanzen. Das Team hat inzwischen über 100 Zitruslinien erzeugt, bei der ein oder mehrere solcher für die Infektion relevante Gene editiert wurden. Seit März 2024 laufen Freilandversuche, um die verschiedenen Pflanzen auf ihre Resistenz gegenüber Citrus greening zu testen.

Einen anderen Ansatz verfolgt ein Forschungsteam an der University of Florida: Für die Produktion von Proteinen, welche die Pflanze vor einer Infektion schützen, spielt das Gen NPR1 eine wichtige Rolle. Die Wissenschaftler führten zunächst mit klassischen gentechnischen Methoden ein NPR1-Gen aus der Modellpflanze Arabidopsis in Orangenpflanzen ein. Diese transgenen Orangenbäume erwiesen sich unter Freilandbedingungen über mehrere Jahren als resistent.

Zitruspflanzen besitzen aber auch natürlicherweise ein eigenes NPR1-Gen. Dieses wird allerdings durch andere Gene unterdrückt. Die Wissenschaftler versuchen nun, mit CRISPR/Cas diese negativ regulierenden Gene so zu verändern, dass sie die Aktivität des NPR1-Gens nicht mehr einschränken. Man nimmt an, dass die Zitruspflanzen sich dann selbst gegen eine Citrus Greening-Infektion wehren können.

Inzwischen sind mehrere neu entwickelte Linien von Zitruspflanzen, die eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Citrus Greenung zum Ziel haben, von der US-Landwirtschaftsbehörde USDA freigegeben worden. Sie dürfen ohne Auflagen im Freiland getestet und – falls sie sich als dauerhaft wirksam erweisen - angebaut und vermarktet werden. Das gilt sowohl für CRISPR-editierte Zitruspflanzen ohne neu hinzugefügtes Genmaterial, als auch für Zitruspflanzen, in die das NPR1-Gen aus Arabidopsis sowie ein Markergen gentechnisch eingefügt wurden.