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Von der Grundlagenforschung zur Anwendung

Züchtungsziel Trockentoleranz: Fit für den Klimawandel

Nutzpflanzen, die mit Trockenheit besser zurechtkommen, sind eines der wichtigsten Ziele für die Pflanzenzüchtung in den nächsten Jahrzehnten. Erste Pflanzen sind schon auf dem Markt, beispielsweise trockentolerante Maispflanzen für Afrika, die vom International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) gezüchtet wurden. Doch die Züchtung steckt noch in den Kinderschuhen und es muss noch viel in die Forschung investiert werden. Denn: Trockentoleranz ist eine komplexe Eigenschaft.

trockentoleranter Mais

Der erste trockentolerante gv-Mais ging aus einer Zusammenarbeit der Firmen Monsanto und BASF hervor und wird seit 2012 in den USA versuchsweise angebaut. Hier wurde ein Gen aus dem Bodenbakterium Bacillus subtilis eingeführt. Das Gen führt zur Bildung eines Proteins, das die Pflanzenzellen bei Kälte- und Trockenstress funktionstüchtig erhält und damit bei moderater Trockenheit den Ertrag im Vergleich zu nichttoleranten Sorten um 5-10% steigert.

trockentoleranter Mais

Am International Maize and Wheat Improvement Center CIMMYT wurden im Rahmen des Programms Drought Tolerant Maize for Africa (DTMA) 34 trockentolerante Maisvarianten für den Anbau in Afrika konventionell gezüchtet. Das Saatgut wurde seit 2007 an rund zwei Millionen Kleinbauern in 13 afrikanischen Ländern verteilt. Ein neueres Programm, Water Efficient Maize for Africa (WEMA), an dem neben dem CIMMYT auch die Gates Foundation und die Firmen Monsanto und BASF beteiligt sind, setzt sowohl auf Smart breeding als auch auf gentechnische Verfahren. Die Firmen stellen dafür von ihnen entwickelte Genkonstrukte zur Verfügung. Die neuen Maissorten sollen ab 2017 erhältlich sein.

Sonnenblume

Das staatliche Agrobiotechnology Institute of the Littoral in Argentinien hat gentechnisch veränderte Mais-, Weizen- und Sojabohnenpflanzen entwickelt, in die ein Gen aus der Sonnenblume eingebracht wurde. Das Gen trägt die Information für ein regulatorisches Protein, das eine wichtige Rolle bei der Reaktion der Pflanze auf Stress, vor allem auf Trockenstress, spielt. In Freilandversuchen unter verschiedenen Bedingungen zeigten die Pflanzen eine erhöhte Trocken- und Salzresistenz sowie höhere Erträge. Wenn die Versuche zur Sicherheitsbewertung abgeschlossen sind, könnte es zur Markteinführung kommen.

Der prognostizierte Klimawandel mit weltweit durchschnittlich höheren Temperaturen und geringeren Niederschlägen ist eine Herausforderung für die Landwirtschaft. Schon heute gehen weltweit zwei Drittel des insgesamt verbrauchten Wassers in die Landwirtschaft. Zukünftig muss daher effizienter mit der Ressource Wasser umgegangen werden. Helfen können verbesserte Bewässerungssysteme und Anbaumethoden, die Böden weniger austrocknen und Bodenerosion minimieren. Aber auch die Pflanzenzüchtung kann entscheidende Beiträge dazu leisten: trockentolerante Kulturpflanzen, die auch bei wenig Niederschlag und Bewässerung ausreichende Erträge liefern.

Was macht eine Pflanze trockentolerant?

Pflanzen haben verschiedene Strategien, um ihre Wasserversorgung zu optimieren. Oft sind zahlreiche Gene beteiligt, die beispielsweise das Aussehen und die Masse der Wurzeln bestimmen. Die Architektur der Wurzeln als Hauptaufnahmeorgan für Wasser ist entscheidend für eine ausreichende Versorgung. Andere Gene sind dafür verantwortlich, dass bei Trockenheit Wasserporen in den Zellwänden gebildet werden oder dass die Konzentration bestimmter Moleküle wie löslicher Zucker in den Pflanzenzellen erhöht wird. Dadurch können die Zellen mehr Wasser aufnehmen und zurückhalten. Aber auch eine verringerte Abgabe von Wasser durch die Spaltöffnungen auf der Blattoberfläche kann den Pflanzen bei Trockenheit helfen. Da sich bei Austrocknung freie Sauerstoffradikale in den Zellen anhäufen, sind auch spezielle Stoffwechselwege zum Abbau dieser zellschädigenden Moleküle eine Anpassung an solche Situationen. Die Gene, die bei Trockenstress aktiv sind, werden häufig von regulatorischen Proteinen gesteuert, von denen bereits eine ganze Reihe bekannt sind.

Welche Strategie eine Pflanze bei Wasserknappheit verfolgt, ist auch davon abhängig, in welcher Wachstumsphase sie sich befindet. Junge Pflanzen vergrößern oft ihr Wurzelwerk und können so auch in relativ trockener Erde weiterhin ausreichend Wasser aufnehmen und ihr Wachstum fortsetzen. Tritt Trockenheit in späteren Wachstumsphasen auf, wird eher die Bildung von Samen oder Früchten beschleunigt. Dann werden die in Stängeln und Blättern gespeicherten Zucker umgehend zum Samen transportiert und so ihre Abreifung beschleunigt.

Viel Grundlagenforschung, wenig Züchtung

Die Grundlagenforschung hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte bei der Identifizierung der molekularen Mechanismen der Trockentoleranz erzielt. In der Züchtung konnten diese Erkenntnisse aber bisher noch nicht voll genutzt werden. Das liegt vor allem daran, dass in der Grundlagenforschung viele Einzelmerkmale untersucht werden, die zu einer verbesserten Trockentoleranz beitragen, zum Beispiel die Aktivität bestimmter Gene, die Menge bestimmter chemischer Substanzen in den Pflanzenzellen oder der Zustand der Spaltöffnungen. In der konventionellen Züchtung, wo Tausende von Pflanzen gleichzeitig überprüft werden müssen, ist es häufig zu zeit-und kostenaufwändig, diese Einzelmerkmale zu bestimmen. Daher werden in der Regel einfacher zu messende Eigenschaften herangezogen: Man vergleicht die Biomasse und den Ertrag bei normaler Wasserversorgung und bei Trockenheit oder bestimmt die Wassernutzungseffizienz der Pflanzen, also das Verhältnis von Biomasse zu Wasserverbrauch.

Erschwerend kommt hinzu, dass Stressbedingungen im Freiland viel variabler sind als die kontrollierten Bedingungen im Labor oder im Gewächshaus. Auch treten im Freiland oft verschiedene Stressbedingungen gleichzeitig auf, was die Selektion von Pflanzen mit verbesserter Trockentoleranz erschwert. So wird Trockenheit häufig von Hitze begleitet, die den pflanzlichen Photosynthese-Apparat zerstören kann. Bei Weizen können Hitzeperioden zu Ernteeinbußen von bis zu 20 Prozent führen, selbst wenn die Pflanzen eigentlich genügend Wasser erhalten. Im Gegensatz zur Trockentoleranz gibt es aber bisher kaum Informationen, welche Mechanismen bei Pflanzen eine erhöhte Hitzetoleranz bewirken können.

Ist dann eine Pflanze mit erhöhter Trockentoleranz gefunden, entsprechen deren Ertragsniveau und Qualitätseigenschaften in der Regel nicht der von heutigen Hochleistungssorten. Dann muss der Züchter oftmals viele Jahre investieren, um die Eigenschaft Trockentoleranz in Hochleistungssorten einzukreuzen.

Neue Perspektiven durch Biotechnologie

Biotechnologische Verfahren beschleunigen zunehmend die Züchtung trockentoleranter Sorten. So werden heute häufig gendiagnostische Verfahren wie das Smart breeding genutzt. Dabei wird die Vererbung eines molekularen Markers verfolgt, der in unmittelbarer Nähe zu einem für Trockentoleranz verantwortlichen DNA-Abschnitt liegt. So kann bereits bei Keimlingen die Vererbung der Trockentoleranz überprüft und damit die Selektion geeigneter Nachkommen beschleunigt werden. Zukünftig werden für die meisten Kulturarten detailliertere Genkarten mit einer Vielzahl von Markern zur Verfügung stehen. Damit können dann Züchter einfacher die Vererbung von Genen verfolgen, die nach den Erkenntnissen der Grundlagenforschung einen Beitrag zur Trockentoleranz einer Pflanze leisten können.

Trockentoleranz findet man häufig bei Verwandten der Kulturpflanzen, etwa Wildpflanzen. Das Problem für die Züchtung ist dabei, dass diese Pflanzen nicht ohne weiteres mit den Kulturpflanzen gekreuzt werden können. Mittels Zell- und Gewebekulturtechniken können „künstliche“ Kreuzungen mit verwandten Pflanzen durchgeführt werden, mit gentechnischen Methoden ist auch die Einführung entsprechender Gene aus nicht verwandten Pflanzen oder aus anderen Organismen wie Bakterien möglich.