Das Fehlen eines Gens bewirkt, dass Pflanzenwurzeln tiefer in den Boden hineinwachsen. Das nährt die Hoffnung auf robusteres Saatgut.
Durch den Klimawandel kommt es zu immer längeren Trockenperioden. Wie letzte Woche berichtet, müssen immer mehr Felder bewässert werden, um zu verhindern, dass Ernten absterben und Ernten ausfallen. Die Anlagen könnten jedoch auch modifiziert werden, um härteren Bedingungen standzuhalten. Ein internationales Forscherteam hat nun einen Weg gefunden, Getreide widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen.
Forscher haben ein Gen identifiziert, das das Wurzelwachstum in Weizen und Gerste reguliert. Genauer gesagt bestimmt es den Winkel, in dem die Wurzeln in den Boden eindringen, und die Flexibilität der Wurzelwände. Wenn das Gen aufgrund einer Mutation defekt ist, zeigen die Pflanzen die Tendenz, durch die Schwerkraft höher zu werden und gerade nach unten zu wachsen. Das Gen heißt daher „enhanced gravitropism 1“ (EGT 1).
Röntgenaufnahme des Bodens unter Gerste mit und ohne EGT1-Gen (rechts): Wurzeln orientieren sich ohne Schwerkraft stärker.
© Fusi, Rosignoli, Lou et al. 2022
Mehrere Vorteile
Pflanzen, denen EGT1 fehlt, könnten in Zeiten des Klimawandels von tieferen Wurzeln profitieren und letztendlich Wasser und Nährstoffe aus tieferen Bodenschichten aufnehmen. Da die Wurzeln in tiefere Schichten vordringen, wird auch der Kohlenstoff, den Pflanzen oberirdisch in Form von Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen, tiefer gespeichert. Dann bleibt es länger dort, was angesichts des starken Anstiegs des CO2-Gehalts in der Atmosphäre eine gute Nachricht ist.
„Indem wir die Gene identifizieren, die den Winkel des Wurzelwachstums steuern, können wir wesentlich dazu beitragen, Samen zu entwickeln, die besser an sich ändernde Umweltbedingungen angepasst sind“, sagt Co-Principal Researcher Haoyu Lou. Diese Entdeckung hat Potenzial, aber andere Implikationen müssen gut untersucht werden, bemerkt Ortrun Mittelsten Scheid vom Gregor-Mendel-Institut für Molekularbiologie der Pflanzen an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.
Mehr Weg zum Samen
„Ein tieferes Wurzelwachstum bedeutet nicht, dass die Pflanze in der oberen Zone produktiver ist.“ Ob die gesteigerte Aufnahmefähigkeit von Wasser und mehr Nährstoffen auch zu den gewünschten Ernteergebnissen führt, hängt von vielen weiteren Faktoren ab, wie beispielsweise der Bodenbeschaffenheit oder dem Zusammenspiel von Pflanze und Mikroorganismen.
Der Molekularbiologe erklärt, dass Mutationen in Pflanzen wie solche mit dem fehlenden EGT1-Gen in der Natur weit verbreitet sind. Sie werden normalerweise durch Sonneneinstrahlung oder Chemikalien ausgelöst. Interessant wird es für Pflanzenzüchter bei Keimbahnmutationen, also solchen, die auf die nächste Pflanzengeneration übertragen werden. Einen Fund wie EGT1-freies Getreide in Samen zu verwandeln, die auf Feldern ausgebracht werden können, ist ein langer Weg.
„Der klassische Weg, eine Mutation durch Kreuzung auf andere Gerstensorten zu übertragen, ist sehr aufwändig und dauert viele Jahre.“ Laut Mittelsten Scheid geht es auch viel schneller, zum Beispiel mit der CRISPR-Methode. Mit einer „Genschere“ könnte man EGT1 einfach aus dem Pflanzengenom entfernen und diese Kopien vervielfältigen. Dies ist in Europa für Forschungszwecke erlaubt, nicht jedoch für die Saatgutproduktion.
Viele Tests erforderlich
Bevor dieses Produkt jedoch auf den Markt kommen kann, müssen „ganze Batterien von Testverfahren“ durchlaufen werden. Damit soll sichergestellt werden, dass keine unerwünschten Nebenwirkungen auftreten. Werden Pflanzen mit tieferen Wurzeln, aber flexibleren Wurzelwänden leichter vom Wind umgeweht? Wie kommt es mit Lehmboden allein oder fest zurecht? Verändert das die Art und Weise, wie wir mit Mikroorganismen arbeiten? Fragen wie diese gilt es zu klären.
„Was am Ende zählt, ist die Leistung vor Ort“, sagt Mittelsten Scheid. „Alle Mutationen, die zur Leistungssteigerung beitragen, sind für die Fortpflanzung interessant. Die Menschheit tut dies seit Jahrtausenden.“
Weitere Ansatzpunkte
Um Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen, könnte sie auch an anderen Stellen als beim Wurzelwachstum ansetzen, etwa indem sie die Regulierung des Wasserhaushalts und der Photosynthese optimiert. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Kohlendioxid mit Licht in Kohlenstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Auch an der Regulation der Blattstomata, durch die CO2 in die Pflanze gelangt und Blätter bewässert, wird gearbeitet.
Doch zunächst müsse man die genauen Abläufe innerhalb der Pflanzen verstehen: „Vieles weiß man schon, aber das Verständnis der Gesamtheit der Zusammenhänge hinkt noch hinterher. Mit EGT1 etwa wurde ein einzelnes Gen in einem riesigen Genom identifiziert. Wie As.“ Bei anderen Genen wissen wir noch nicht, welche Folgen eine Veränderung hat. Funktion allein ist nur ein kleiner Einblick in ein unglaublich komplexes Netzwerk.“
Sehen Sie sich die Einstellmechanismen an
In Zukunft wäre es wünschenswert, dass die Menschen Pflanzen haben, die widerstandsfähig gegen den Klimawandel, resistent gegen Schädlinge und gleichzeitig so ertragreich wie möglich sind. „Den für alle Gewerke gibt es aber nicht“, sagt Mittelsten Scheid. Das Potenzial zur Verbesserung der Pflanzeneigenschaften liegt jedoch in der Pflanzenvielfalt und den Anpassungsmechanismen. „Pflanzen wachsen unter den unglaublichsten Umweltbedingungen, etwa in der Wüste, auch ohne unser Zutun, und wir sollten uns die verschiedenen Anpassungsmechanismen genau ansehen.“
Zukünftig müssen aber auch Kulturpflanzen berücksichtigt werden, die derzeit nur in den Tropen angebaut werden. Auch die Optimierung landwirtschaftlicher Methoden, beispielsweise durch Digitalisierung, wird für die Ernährungsversorgung der Zukunft wichtig sein. „Jede Technologie allein hat wenig Potenzial, aber wenn wir Pflanzen in unserem Interesse verbessern und responsive Landwirtschaft betreiben wollen, brauchen wir das Zusammenspiel verschiedener Grundlagenforschung, Biodiversität, Ökologie, Anbautechniken und Klimadaten.“