Auftreten und Verbreitung des Quarantäneerregers Candidatus Phytoplasma ulmi in den Ulmen-Arten Deutschlands

Hintergrund und Zielsetzung

Candidatus Phytoplasma ulmi ist ein bakterieller intrazellulärer Parasit, der in vielen Gebieten zur Vergilbung und dem Absterben von Ulmen führt. Dieser bedeutende Quarantäne-Schaderreger wurde in den letzten Jahrzehnten in der Europäischen Union und in Deutschland nachgewiesen. In Deutschland wurde das Auftreten in U. glabra und U. laevis bereits vereinzelt dokumentiert, während bisher kein Nachweis bei U. minor erfolgte. Die eigenen Arbeiten zu U. laevis lassen befürchten, dass der Erreger in Brandenburg bereits regional etabliert ist. Insgesamt ermöglichen die bisher zur Verfügung stehenden Daten jedoch weder eine Aussage zum Auftreten bzw. regionalen Verbreitung des Erregers in den unterschiedlichen Ulmen-Arten in Deutschland. Das vorgeschlagene Projekt mit dem Titel "Auftreten und Verbreitung des Quarantäneerregers Candidatus Phytoplasma ulmi in den Ulmen-Arten Deutschlands" soll diese Wissenslücken füllen und die zur Verfügung stehenden Methoden zur Bestimmung und Differenzierung des Erregers maßgeblich verbessern. Das Projekt strebt dabei den Nachweis des Erregers im Rahmen von umfangreichen Stichproben in ausgewählten Vorkommensgebieten bzw. unterschiedlichen Regionen Deutschlands in den einheimischen Ulmen-Arten an. Im Projekt wird die molekulare Diagnostik durch die Entwicklung neuer Sonden in der quantitativen PCR (TaqMan) wesentlich verbessert und eine Differenzierung von Ca. P. ulmi Stämmen durch die Verwendung neuer genetischer Marker erreicht. Auftreten und Epidemiologie des Erregers können so bestimmt werden. Neue Protokolle für eine effiziente Diagnostik sowie Referenzmaterial werden dabei erstellt. Die Ergebnisse dieses Projektes liefern die dringend benötigte bisher fehlende wissenschaftliche Datengrundlage für eine Einschätzung der Situation in Deutschland und ermöglichen die Bereitstellung von Entscheidungshilfen zur Einleitung von phytosanitären Maßnahmen zur Risikominimierung.

Vorgehensweise

Das Projekt strebt den Nachweis des Erregers im Rahmen von umfangreichen Stichproben in ausgewählten Vorkommensgebieten bzw. unterschiedlichen Regionen Deutschlands in den einheimischen Ulmen-Arten an. Im Projekt wird die molekulare Diagnostik durch die Entwicklung neuer Sonden in der quantitativen PCR (TaqMan) wesentlich verbessert und eine Differenzierung von Ca. P. ulmi Stämmen durch die Verwendung neuer genetischer Marker erreicht. Auftreten und Epidemiologie des Erregers können so bestimmt werden. Neue Protokolle für eine effiziente Diagnostik sowie Referenzmaterial werden dabei erstellt.

Ergebnisse

Wesentliche Ergebnisse sind:

- Das deutschlandweit durchgeführte Monitoring ergab, dass 28 % der Ulmen mit Candidatus Phytoplasma ulmi besiedelt waren.

- Die Infektionsrate der Ulmen-Arten war unterschiedlich. Flatterulmen waren zu 32 %, Bergulmen zu 28 % und Feldulmen zu 21 % infiziert.

- Einheimische Ulmen reagieren tolerant auf eine Ca. P. ulmi-Infektion. Symptomatische Pflanzen wurden nur an wenigen Standorten beobachtet. Berg- und Feldulmen bildeten Hexenbesen oder zeigten Triebstauche. Natürlich infizierte Flatterulmen waren symptomlos.

- Ca. P. ulmi war im Bundesgebiet nicht einheitlich verteilt. Infektionsschwerpunkte lagen im Osten und Südwesten und betrafen die Bundesländer Brandenburg, Sachsen-Anhalt, Sachsen und Baden-Württemberg. Der Norden und Westen war bis auf fünf Standorte befallsfrei.

- Ein quantitativer real time-PCR Assay für Ca. P. ulmi wurde entwickelt, der den Erreger spezifisch und sensitiv nachwies.

- 288 Ca. P. ulmi-Isolate wurden genetisch charakterisiert. Mithilfe eines groEL-Fragments und des imp-Gens konnten 28 bzw. 74 Genotyp-Gruppen unterschieden werden. Die Sequenzhomologie zwischen den groEL-Fragmenten betrug 99 % - 100%. Die Sequenzhomologie zwischen den imp-Genen 71 % - 100 %.

- Stammbaumanalysen des groEL-Fragments demonstrierten die enge Verwandtschaft der Ca. P. ulmi-Isolate und gruppierte die Isolate nach der Wirtsart. Der imp-Stammbaum spaltete die Ca. P. ulmi-Isolate in zwei Gruppen, die entweder mit Vertretern der 16SrV-C oder 16SrV-D Gruppe enger verwandt waren. Jene, die mit der 16SrV-D Gruppe clusterten, spalteten sich erneut entsprechend der Wirtsart auf. Solche, die mit der 16SrV-C Gruppe clusterten, gruppierten sich nach der Genlänge und nicht nach der Wirtsart.

- Eine Karte zur regionalen Verbreitung der fünf größten Genotyp-Gruppen wurde erstellt. Einige Genotypen waren auf bestimmte Regionen begrenzt.

- Eine Ca. P. ulmi-Stammsammlung von Herkünften infizierte Reiser aus fünf Bundesländern wurde etabliert.

- Krankheitssymptome konnten nach experimenteller Inokulation von Sämlings­unterlagen induziert werden, auch wenn die Ursprungspflanze symptomlos war. Flatterulmen zeigten nach experimenteller Inokulation krankheitsspezifische Symptome in Form von Hexenbesen.

- Handlungsempfehlungen wurden formuliert, die dem aberkannten Quarantänestatus von Ca. P. ulmi Rechnung tragen. Es wird empfohlen, die Vermehrung von Ulmen in Erreger-freien und Ulmen-fernen Standorten durchzuführen. Der Unterwuchs sollte entfernt werden, um potenziellen Vektoren keinen Lebensraum zu bieten. Eine Forschungsförderung in den Bereichen Epidemiologie und Pathologie wird empfohlen, um die Ausbreitungswege und die Krankheitsinduktion besser zu verstehen.

Interessante Nebenergebnisse sind:

- Die Differenzialdiagnose mit dem Universal- und dem pathogen-spezifischen Assay zeigte, dass nur sehr wenige Infektionen durch Phytoplasmen verursacht wurden, die nicht zur Art Ca. P. ulmi gehörten.

- Der Nachweis von Ca. P. ulmi-DNA in Cacopsylla ulmi und verschiedenen Zikaden (z. B. Allygidius atomarius und Macropsis) hat potenzielle Vektoren identifiziert.

- Die natürliche Infektionsrate von Ulmen in einem Infektionsgebiet war nach dem Beobachtungszeitraum von 15 Monaten gering. Bei langlebigen Bäumen führt dies aber trotzdem zu einer hohen Infektionsrate über längere Zeiträume.

- Ca. P. ulmi infiziert Ulmen systemisch, ganzjährig und ist in hoher Zahl in den Siebröhren vorhanden.

- DKW in Verbindung mit Thidiazuron hat sich als geeignete Kombination zur Gewebekultur von infizierten und nicht infizierten Ulmen erwiesen.

Die Entscheidung, ein bundesweites Monitoring durchzuführen war wichtig, um alle Verbreitungsgebiete von Ca. P. ulmi zu kartieren. Ein regionales Monitoring wäre nicht in der Lage gewesen Schwerpunktgebiete von weitgehend erregerfreien Regionen abzugrenzen.
Die einheimischen Ulmen reagieren bei natürlicher Infektion tolerant. Eine experimentelle Inokulation hingegen, auch mit Reisern asymptomatischer Individuen, verursacht jedoch krankheitstypische Symptome.
Die systemische Verteilung, die ganzjährige Präsenz und die generell hohe Zahl von Ca. P. ulmi in den Siebröhren der Ulmen, machen den Erreger durch PCR-Methoden leicht nachweisbar.