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Desert Cereals - Getreide für die Wüste

Die Grüne Revolution muss nachhaltiger werden. Dafür forschen wir.
Desert Cereals
Getreide für die Wüste - in einem vom BMBF geförderten Projekt ging es um nachhaltigen Getreideanbau in Ägypten.
POX_OPR7
Doppelfärbung OPR7 (über das Grün Fluoreszente Protein) und einem Marker für Mitochondrien (Farbstoff Mitotracker Red) oder einem Marker für Peroxisomen (über das rot fluoreszierende Cherry-POX Protein). Gelb bedeutet Übereinstimmung.
Wuestengetreide
In Reaktion auf Trockenstress entsteht OPDA, was als Schadenssignal wirkt, worauf die Pflanze alle Ressourcen aus den Blättern abzieht und diese abwirft. Durch Erhöhung der Pegel von OPR7 wird das Signal entfernt, so dass die Pflanze ihre Blätter erhält.

Wozu brauchen wir diese Forschung? - Was kam heraus? - Wie geht es weiter?

 

Wozu brauchen wir diese Forschung?

Im 20. Jahrhundert ist die Zahl der Menschen explodiert. Mehr Menschen brauchen mehr Nahrung. Mehr Fläche für die Landwirtschaft gibt es nicht. Im Gegenteil: Städte und Wüsten drängen den Ackerbau weltweit zurück. Dennoch: es gibt genügend Nahrungsmittel (der Hunger in vielen Ländern hat politische, nicht biologische Ursachen). Warum? Die sogenannte Grüne Revolution hat es geschafft, den Ertrag pro Fläche zu vervielfachen. Düngung, Pflanzenschutz, Technik waren hierfür sicherlich wichtig. Der Löwenanteil war jedoch Genetik. Die Züchtung neuer Nutzpflanzen, die höchste Erträge liefern können, zählt vermutlich zu den wichtigsten Errungenschaften des vergangenen Jahrhunderts. Dennoch ist der Glanz der Grünen Revolution ziemlich matt geworden. Woran liegt das? Die hohen Erträge werden nicht auf nachhaltige Weise erzeugt – der Boden laugt aus, künstliche Bewässerung lässt immer größere Flächen versalzen, chemischer Pflanzenschutz und Überdüngung fordern ihren ökologischen Preis, die kostbarste Ressource Trinkwasser steht auf dem Spiel.

Die Grüne Revolution muss nachhaltiger werden. Eigentlich müssen wir Nachhaltigkeit nicht neu erfinden. Es genügt, die während der Evolution entstandenen Problemlösungen zu erkennen und zu nutzen. Pflanzen können sich nämlich ganz gut gegen Trockenheit und salzige Böden zur Wehr setzen. Wir haben es unseren Nutzpflanzen nur abtrainiert, als wir im Laufe der Kultivierung zu einseitig auf hohen Ertrag züchteten.

Eine nachhaltige Landwirtschaft muss wieder verstärkt die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen gegen abiotische und biotische Stressfaktoren im Blick haben. Stresstoleranz gilt daher weltweit als eines von drei Hauptzielen der grünen Biotechnologie. In diesem Zusammenhang liegt die Aufmerksamkeit vor allem auf der Trockentoleranz von Nutzpflanzen.

Weizen ist die wichtigste Nahrungspflanze in Ägypten mit einem jährlichen Ertrag von 7 Millionen Tonnen, was etwa 50% des Bedarfs deckt. Um die Lücke zwischen Erzeugung und Verbrauch zu füllen, muss der Anbau von Weizen in die trockeneren Gebiete des Landes ausgedehnt werden. Dies erfordert den Einsatz von trockentoleranten Genotypen. Die Situation für Reis, die wichtigste Nahrungspflanze weltweit und ein zentrales Modell für die funktionelle Pflanzengenetik, ist sogar noch zugespitzter.

 

Was kam heraus?

Bei unseren Forschungsarbeiten zur Stresstoleranz von Reis und Weinreben haben wir das Pflanzenhormon Jasmonat als zentralen Schalter erkannt. Wenn der Jasmonat-Signalweg zur richtigen Zeit angeschaltet und wieder ausgeschaltet wird, ist die Pflanzenzelle in der Lage, sich erfolgreich an Salz- und Trockenstress anzupassen. Wenn der Jasmonatweg aus dem Ruder läuft, endet das mit dem Tod der Zelle. Wir haben auch schon Faktoren identifiziert, die für diese „Jasmonat-Signatur“ verantwortlich sind. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Dr. Rania vom Agricultural Genetic Engineering Research Institute in Gizeh und der Gruppe von Dr. Kohli vom International Rice Research Institute in Manila wollen wir nun diese Faktoren dafür nutzen, die Trockenresistenz von Getreide über molekulare Züchtung zu verbessern. In einem vom das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt konnten wir das Enzym OPDA-Reduktase (OPR7) als zentralen Schalter für die Reak­tion auf Trockenstress identifizieren und zeigen, dass die Hochregulation dieses Enzyms in Tabakzellen zu einer verbes­serten Anpassung an osmotischen Stress führt. Derzeit werden Reis-und Weizen­linien hochgezogen, bei denen wir dieses Enzym über gentechnische Verfahren hochgeregelt haben. Diese Linien werden auf ihre Toleranz gegenüber Trocken-und Salzstress geprüft. Wenn sich hier die Ergebnisse bei Tabakzellen bestätigen, kann man genetische Ressourcen bei Reis und Weizen gezielt auf Veränderungen der OPR7 hin durchmustern und so Kreu­zungskandidaten für die Züchtung iden­tifizieren. Den Kreuzungsprozess selbst kann man dann stark beschleunigen, weil bereits bekannt ist, auf welche Genvarian­te es ankommt (sogenanntes smart breeding).

 

Wie geht es weiter?

Um smart breeding betreiben zu können, braucht man Biodiversität. Die gibt es bei Kulturpflanzen vor allem dort, wo diese Pflanze vor langer Zeit von Menschen in Kultur genommen wurde. Wir untersuchen daher alte Landrassen aus Indien und Myanmar, um so Kandidaten für günstige Genvarianten finden zu können. Für eine dieser Landrassen, den aufgrund seines Aromas sehr hoch gehandelten Paw San aus Myanmar, konnten wir schon eine qualitativ hochwertige Genomsequenz erstellen, wo wir nun nach Veränderungen unseres Favoriten OPR7 oder seiner Wirkungspartner suchen können.