Korrespondierender Autor

Dr. Maria von Korff
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Genetik • Pflanzenforschung

Forschungsbericht (importiert) 2009 - MPI für Pflanzenzüchtungsforschung

Züchtungsforschung in Zeiten des Klimawandels

Plant breeding for climate change adaptation

Autoren

von Korff, Maria

Abteilungen

Entwicklungsbiologie der Pflanzen (Prof. Dr. George Coupland)
MPI für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln

Der Klimawandel bedroht die weltweite Agrarproduktion und stellt eine Herausforderung für die Züchtungsforschung dar. Gerste ist durch ihre genetische Vielfalt und Toleranz gegenüber abiotischem Stress ein Modell für die Erforschung der genetischen Strategien zur Anpassung an Trockenstress. Erforscht wird beispielsweise die genetische Regulation des Blühzeitpunkts in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltbedingungen. In trockenen Umwelten spielt die genaue Anpassung des Entwicklungszyklus an die saisonalen Klimaveränderungen eine wesentliche Rolle für die Ertragsleistung.
Global change threatens agricultural production and represents a challenge for plant breeding research. Consequently, research focuses on elucidating the genetic regulation of adaptation to drought stress in crop plants. Barley is a good model for analysing genetic adaptation mechanisms, as it is characterized by tolerance to abiotic stress and a high genetic diversity. Understanding the genetic regulation of flowering time, for example, will allow the targeted manipulation of development during the breeding process and hence adaptation to changing environments.

Klimawandel

Schon heute erleben wir im Zusammenhang mit dem Klimawandel eine Häufung extremer Witterungsbedingungen. Die weltweite Agrarproduktion ist diesen extremen Wetterereignissen unmittelbar ausgesetzt. Inzwischen prognostizieren globale Klimamodelle eine Erderwärmung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um etwa 2 – 5 oC und eine Zunahme von Hitzewellen, Dürrezeiten, Hochwasser und Starkniederschlägen. Besonders stark betroffen sind die Entwicklungsländer in Sub-Sahara-Afrika und Asien, wo die Ernteerträge nach Berechnungen des Weltklimarats (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) bis 2020 um die Hälfte sinken könnten. Mittel- und Nordeuropa dagegen gehören zu den potenziellen Gewinnern des Klimawandels, denn stärkere Winterniederschläge und höhere Durchschnittstemperaturen könnten die Agrarproduktion erhöhen. Voraussetzung ist jedoch eine Anpassung der Agrarsysteme an die veränderten Klimabedingungen. Genau diese Aufgabe wird jedoch immer schwieriger, denn die klimatischen Eck- und Extremwerte und nicht der saisonale Mittelwert entscheiden in erster Linie über die Erntemenge und –qualität. Besonders die kontinentalen und südlichen Regionen von Europa leiden jetzt schon unter längeren Trockenperioden in den Sommermonaten. Tatsächlich wurde zum Beispiel für Deutschland kein Ertragsfortschritt in den letzten zehn Jahren bei allen Getreidearten, mit Ausnahme der Wintergerste, in der Praxis festgestellt (siehe http://www.bmelv-statistik.de/de/besondere-ernteermittlung/getreide/).

Vor dem Hintergrund des Klimawandels werden die Stabilisierung der landwirtschaftlichen Erträge sowie Produktivitätszuwächse zukünftig in großem Maße von der Entwicklung neuer, angepasster Kultursorten abhängen. Eine Erfolg versprechende Antwort auf den Klimawandel ist die züchterische Anpassung derzeitiger Kulturpflanzen. So wird voraussichtlich weltweit und regional die Bedeutung von Getreidearten zunehmen, die heute schon ein integraler Bestandteil extensiver Bodenbearbeitungssysteme sind und aufgrund ihres geringen Wasserverbrauchs in Trockenlagen angebaut werden. Hierzu zählen, neben Hybridroggen, vor allem Winter- und Sommergerste.

Gerste

Die Kulturgerste ist nach Mais, Reis und Weizen die viertwichtigste Getreideart der Welt. Laut Angaben der Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAOSTAT) wurden im Jahr 2007 weltweit 136 Millionen Tonnen Gerste auf einer Fläche von 56 Millionen Hektar geerntet. Zusammen mit Einkorn und Linse gehört die Gerste zum ältesten Kulturgetreide. Es wird heute davon ausgegangen, dass die Kulturgerste im Gebiet des so genannten Fruchtbaren Halbmondes aus der zweizeiligen Wildgerste Hordeum vulgare L. ssp. spontaneum (C. Koch) Thell. hervorgegangen ist und dass ihre Kultivierung vor etwa 10000 Jahren begann (Abb. 1). Noch heute zeichnet sich die Gerste an ihrem Ursprungsort und in so genannten sekundären Domestikationszentren in Nord- und Ostafrika durch hohe genetische und phänotypische Diversität aus. Tatsächlich ist Gerste das Getreide mit der weitesten geographischen Verbreitung; sie wächst in Trockengebieten Vorderasiens, in Tibet in Höhen von über 4.000 Metern, in den Subtropen und an der Polargrenze des Getreideanbaus. Gerste verfügt somit über ein hohes genetisches Anpassungspotenzial, das für die Züchtung von stresstoleranten Sorten genutzt werden kann. Diese Eigenschaft der Gerste macht sie aber auch interessant für wissenschaftliche Untersuchungen, die zum Verständnis der Stresstoleranz von Pflanzen beitragen können.

Die Ähren der Wildgerste, die heute noch im "Fruchtbaren Halbmond" verbreitet ist, zeigen die charakteristischen langen Grannen und die rötlich-blaue Bild vergrößern
Die Ähren der Wildgerste, die heute noch im "Fruchtbaren Halbmond" verbreitet ist, zeigen die charakteristischen langen Grannen und die rötlich-blaue Anthocyanfärbung der Ähren. Anthocyane sind Pigmente, die die Pflanze vor starker Sonneneinstrahlung schützen. Gerste zeigt, entsprechend ihres weiten Verbreitungsgebiets, eine große genetische und morphologische Vielfalt. [weniger]

Trockenstress

Weltweit ist das Wasserangebot der wichtigste landwirtschaftliche Produktionsfaktor. Zukünftig wird Wasser deshalb der entscheidende Faktor für eine Erhöhung der Nahrungsmittelproduktion sein. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Verknappung der weltweiten Wasserressourcen wird in vielen Ländern an der Entwicklung von Trockenstress toleranten Kulturpflanzen geforscht.

Trockenstresstoleranz ist ein sehr komplexes Merkmal, das von vielen Genen beeinflusst wird. Diese haben unterschiedliche Effekte, die alle dazu dienen, den Ertrag pro Niederschlagsmenge zu erhöhen (Abb. 2). Die genetischen Strategien lassen sich unterscheiden in Vermeidung und Toleranz gegenüber Trockenstress. Eine Vermeidung von Trockenstress erreicht die Pflanze zum Beispiel durch ein verstärktes Wurzelwachstum und verbesserte Wasseraufnahme, verringerte Transpiration über die Blätter, Speichern und Remobilisierung von Reservekohlenhydraten sowie Anpassung des Entwicklungszyklus (siehe unten). Diese Strategien dienen dazu, das Wasserpotenzial in den Blättern aufrechtzuerhalten. Kommt es doch zu einer Reduktion des Wasserpotenzials, entsteht in den Pflanzenzellen ein so genannter osmotischer Stress. Damit verbunden ist eine starke Strapazierung von Makromolekülen und Zellmembranen durch die Verringerung des Zellturgors (osmotischer Innendruck der Zelle) sowie die Erhöhung der Konzentration intrazellulär gelöster Stoffe. Wenn bei akutem Wassermangel die Photosynthese verhindert wird und die Chloroplasten weiterhin starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, kommt es außerdem zur Produktion von Sauerstoffradikalen wie Super- und Peroxiden. Diese schädigen die Zelle, indem sie Enzyme und Zellmembranen direkt angreifen und zerstören.

Trockenstress tolerante Pflanzen können ihre Zellen durch die Synthese von Schutzproteinen vor den veränderten osmotischen Bedingungen schützen. Diese Enzyme sorgen dafür, dass Zellproteine, Membranen und andere Enzyme ihre normale Struktur beibehalten und weiter funktionieren. Außerdem reichert die Zelle osmotisch wirksame Stoffe in der Vakuole an (Prolin, Sorbitol, Glycinbetain). Diese sorgen dafür, dass der Wasserverlust der Zelle so gering wie möglich gehalten wird.

Toleranz gegenüber Trockenstress ist ein komplexes Merkmal. Trockenstress verursacht auf der Ebene der Wurzel, des Sprosses und der generativen Organe Bild vergrößern
Toleranz gegenüber Trockenstress ist ein komplexes Merkmal. Trockenstress verursacht auf der Ebene der Wurzel, des Sprosses und der generativen Organe molekulare, physiologische und morphologische Veränderungen. Diese führen zu verstärktem Wurzelwachstum, reduziertem Wachstum der oberirdischen Biomasse und zur Verringerung des Ertrags. Zur Vermeidung von Trockenstress verfügt die Pflanze jedoch über Anpassungsmechanismen, wie zum Beispiel Reduktion des osmotischen Potenzials oder Verkürzung des Generationszyklus. [weniger]

Genetische Vielfalt

Die Fortschritte in der Pflanzengenomforschung ermöglichen es mittlerweile, die molekulare Antwort der Pflanze auf Stress besser zu verstehen und für die Entwicklung Stress toleranter Kulturarten zu nutzen. Die Identifizierung relevanter Gene und Enzyme in dem komplexen Stress-Stoffwechselweg wurde vor allem in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana vorangetrieben [1]. Die Stressforschung an Arabidopsis in Klimakammer- und Gewächshausversuchen liefert wertvolle Erkenntnisse über Stressphysiologie und Genetik. Für eine Anwendung in der Getreidezüchtung müssen diese Erkenntnisse jedoch zunächst an Kulturpflanzen und im Feld getestet werden. Auch in Deutschland werden nun in zunehmendem Maße Projekte gefördert, deren Ziel es ist, die Stressanpassung in Kulturpflanzen zu erforschen. Hier spielen, neben transgenen Ansätzen, die Identifizierung und Nutzung natürlicher genetischer Diversität im Genpool der Kulturarten eine große Rolle.

Die Domestifikation unserer heutigen Kulturpflanzen vor circa 10000 Jahren und die systematische Pflanzenzüchtung hochertragsreicher Sorten seit Beginn des letzten Jahrhunderts haben zu einer Einengung der genetischen Variation in den Elitesorten geführt. Evolutionsgeschichtlich gesehen, ist diese Zeitspanne jedoch gering, und die exotischen Vorfahren unserer heutigen Kulturarten lassen sich meist noch mit diesen kreuzen und stellen somit eine bedeutende genetische Ressource dar [2].

Gerstenforschung am Max-Planck-Institut

Die Gerstenforschung spielt schon seit langem eine große Rolle am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln. Seit neuestem wird die Gerste auch genutzt, um molekulare Anpassungsmechanismen an Trockenstress zu untersuchen. Da die Gerste eine hohe genetische Ähnlichkeit zu anderen Getreidepflanzen aufweist, können diese Erkenntnisse auch auf andere Kulturpflanzen, wie etwa Weizen, übertragen werden. Das Institut verfügt über eine umfangreiche Sammlung von Wildgersten und Landrassen aus der ganzen Welt [3]. Diese werden genutzt, um definierte Kreuzungen beispielsweise zwischen deutschen Gerstensorten und Landrassen von Trockenstandorten am Ursprungsort der Kulturgerste, dem Nahen Osten, durchzuführen. Vorteilhafte Genformen der Landrassen werden so in unsere Elitegersten eingekreuzt. Außerdem können mithilfe von molekularen Markern Regionen im Gerstengenom identifiziert werden, die zu einer verbesserten Trockentoleranz beitragen. Obwohl, im Gegensatz zum Reis, die Genomsequenz der Gerste noch nicht vorliegt, erlaubt die Syntenie (die Ähnlichkeit von Genen und deren Reihenfolge auf den Chromosomen) zwischen Gerste und Reis, die Gene selbst zu identifizieren.

Um im Feld die Anpassungsstrategien der Gerste an Trockenheit zu bestimmen, kooperieren die Max-Planck Wissenschaftler mit dem Center for Agricultural Research in the Dry Areas (ICARDA) in Syrien. Dieses ist eines der internationalen Agrarforschungszentren der Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR) und besitzt das globale Mandat für Forschung an Gerste und Agrarproduktion in semi-ariden Gebieten. Gerstenkreuzungen werden in langjährigen Feldversuchen in Syrien, Jordanien und im Libanon unter trockenen Umweltbedingungen getestet und nachfolgend detaillierten genetischen Studien am Max-Planck-Institut unterzogen. Diese Studien sollen Gene und Genregionen identifizieren, die die agronomische Leistung von Gersten unter trockenen Bedingungen steigern. Diese Erkenntnisse liefern auch wertvolle Informationen für die Züchtung von Kulturpflanzen, die an veränderte Klimabedingungen in Mitteleuropa angepasst werden müssen. Erste Ergebnisse zeigen zum Beispiel, dass die Anpassung des Entwicklungszyklus der Pflanze an die Umwelt gerade an trockenen Standorten eine große Rolle spielt (Abb. 3; [4]). Diese Erkenntnis kam nicht unerwartet, denn die Anpassung des Entwicklungszyklus an verschiedene Agrarökosysteme ist die Grundlage für die weltweit erfolgreiche Kultivierung einer Hand voll Kulturarten. Kenntnisse über die Gene, die in diese Entwicklungsprozesse involviert sind, ermöglichen ihre gezielte Beeinflussung, um Kulturpflanzen optimal an die neuen Klimabedingungen, zum Beispiel trockenere Sommer in Mitteleuropa, anzupassen.

Genetische Karte der sieben Gerstenchromosomen. In Nachkommen von zwei Trockenstress toleranten Gerstenlinien wurden durch Korrelation zwischen geneti Bild vergrößern
Genetische Karte der sieben Gerstenchromosomen. In Nachkommen von zwei Trockenstress toleranten Gerstenlinien wurden durch Korrelation zwischen genetischen Markern und Merkmalen, hier: Blühzeitpunkt und Ertrag, genomische Regionen identifiziert, die einen Einfluss auf diese Merkmale haben. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders in sehr trockenen Gebieten der Zeitpunkt der Blüte einen Einfluss auf den Ertrag hat. Dieses ist erkennbar durch die Übereinstimmung von genomischen Regionen, die den Blühzeitpunkt und den Ertrag beeinflussen. Die genomischen Regionen entsprechen einerseits der Position von bekannten Vernalisationsgenen der Gerste (Vrn-H1; Vernalisation bezeichnet die Induktion des Schossens und Blühens bei Pflanzen durch eine längere Kälteperiode im Winter), zeigen aber auch weitere, noch unbekannte Gene an. [weniger]

Molekularbiologie des Entwicklungszyklus der Gerste; Ausblick

Gerste wächst in Deutschland einjährig als Sommergerste oder, wie auch im Mediterranen Raum, überjährig als Wintergerste. Besonders in südlichen, trockenen Regionen zeichnet sich die Gerste durch eine rasche Blütenbildung im Frühling aus. Diese sorgt dafür, dass die Gerste ihre Entwicklung vor dem Einsetzen der Sommerhitze abgeschlossen hat. In den gemäßigten Breiten erfolgt die Entwicklung langsamer, was der Gerste wiederum erlaubt, die lange Wachstumsperiode auszunutzen (Abb. 4). Diese unterschiedlichen Entwicklungsstrategien sind genetisch festgelegt und erfolgen in Abhängigkeit von Tageslichtlänge und Temperatur. Das dominante photoperiod response Gen Ppd-H1 löst in der Wintergerste die Blütenbildung bei einer Zunahme der Tageslänge im Frühling aus. Gleichzeitig lässt das Vernalisationsgen Vrn-H2 als Antagonist zu Ppd-H1 nur eine Blütenbildung zu, wenn die Pflanze vorher einem ausreichenden Kältereiz ausgesetzt war. In der Sommergerste hingegen fehlt das Gen Vrn-H2 ganz, und das Ppd-H1-Gen ist in Folge einer Mutation nicht funktional. Nun sind in der Gerste eine große Anzahl weiterer Gene am Übergang vom vegetativen zum generativen Stadium beteiligt, deren Natur und/oder Funktion jedoch noch unbekannt sind. Wissenschaftler am Institut nutzen die natürliche genetische Variation der Gerste und Informationen aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, um den Stoffwechselweg, der zur Blüteninduktion führt, weiter zu entschlüsseln. Diese Kenntnisse werden in Zukunft helfen, Kulturpflanzen gezielt an die veränderten globalen Klimabedingungen anzupassen.

Gerstenährchen blühen geschlossen. Gerste ist deshalb ein so genannter Selbstbefruchter. Die Ährchen öffnen sich erst nach erfolgreicher Befruchtung, Bild vergrößern
Gerstenährchen blühen geschlossen. Gerste ist deshalb ein so genannter Selbstbefruchter. Die Ährchen öffnen sich erst nach erfolgreicher Befruchtung, dann erst sind die gelben Antheren zu sehen. [weniger]

Originalveröffentlichungen

1.
K. Shinozaki, K. Yamaguchi-Shinozaki:
Gene networks involved in drought stress response and tolerance.
2.
A. Badr, K. Müller, R. Schäfer-Pregl, H. El Rabey, S. Effgen, H. H. Ibrahim, C. Pozzi, W. Rohde, F. Salamini:
On the origin and domestication history of barley (Hordeum vulgare).
3.
M. von Korff, S. Grando, D. This, M. Baum, S. Ceccarelli:
Quantitative trait loci (QTL) associated with agronomic performance of barley under drought.
4.
I. Schmalenbach, K. Pillen:
Eine Schatzsuche unter wilden Gersten: Wie die Biodiversität der Gerste zur Züchtung von Elitesorten verwendet wird.
 
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