Bewässerung

Forschungsziel: Pflanzen, die mit weniger Wasser auskommen

Wasser ist eine immer knapper werdende Ressource. Schon heute fließen weit mehr als zwei Drittel des weltweiten Wasserverbrauchs in die Landwirtschaft - und mit dem Klimawandel wird dieser Anteil steigen. Ein Drittel der Agrarflächen leidet unter unzureichender Wasserversorgung. Ein effizienterer Umgang mit Wasser ist daher ein wichtiges Ziel - für die Landwirtschaft weltweit, aber auch für Pflanzenforscher und -züchter. Ob mit oder ohne Gentechnik: Bis zu neuen dürretoleranten Pflanzensorten ist es ein weiter, schwieriger Weg. Doch inzwischen zeichnen sich erste Erfolge ab.

In vielen Regionen ist Wasser der limitierende Faktor für die Landwirtschaft. Es kann nur die Menge erzeugt werden, wofür das Wasser ausreicht. Wenn keine neuen Wasserquellen erschlossen werden können, dann ist der einzige Weg zu besseren Ernten, das vorhandene Wasser so effizient wie möglich zu nutzen.

Landwirtschaft, Bewässerung

Landwirtschaft: Benötigt zu viel Wasser. Pflanzen, die weniger intensiv bewässert werden müssen und dennoch gute Erträge liefern, sind ein wichtiges Ziel in der Pflanzenzüchtung.

Arabidopsis Modellpflanzen

Grundlagenforschung mit Arabidopsis, der „Hauspflanze“ der Pflanzengenetiker. Verschiedene Pflanzenindividuen reagieren unterschiedlich auf Trocken- oder Hitzestress. Heute kann man mit Hilfe leistungsfähiger Sequenzierautomaten herausfinden, auf welche Genvarianten solche besonderen Eigenschaften zurückzuführen ist.

Maisfeld bei Trockenheit

Kein Wasser, kein Wachstum. Es ist ein natürlicher Schutzmechanismus vieler Pflanzen, dass sie bei Dürre das Wachstum einstellen. Man nennt das auch Notreife: Bei Getreide oder Mais werden die Körner vorzeitig reif. Sie lagern keine Stärke mehr ein und werden nicht mehr größer. Die Folge: deutlich geringere Ernten. - Das Foto zeigt ein Maisfeld in Mittelfranken nach der langen Trockenperiode 2015.

Fotos: Kostic Dusan, 123RF (großes Foto oben), ©Cecilia Lim/Fotolia.com, (oben), i-bio

Ein Patentrezept dafür gibt es nicht: Mit besseren Bewässerungssystemen lassen sich Verluste in Folge von Verdunstung oder Leckagen oft erheblich reduzieren. Die Landwirte können durch angepasste Kulturarten, geeignete Fruchtfolgen und Bearbeitungsverfahren die Austrocknung und Erosion des Bodens vermindern. Notwendig ist aber auch die Entwicklung von Pflanzen mit hoher „Wassernutzungseffizienz“, die möglichst viel Biomasse mit wenig Wasser produzieren.

Schon länger ist eine bessere Toleranz gegenüber Trockenheit oder anderen Stressfaktoren wie Hitze, Salz oder Kälte zu einem wichtigen Ziel in der Pflanzenzüchtung geworden. Doch es ist alles andere als einfach, neue Sorten mit deutlich verbesserten Stress-Eigenschaften zu züchten.

Anders als viele Resistenzen gegen Krankheiten und Schädlingen wird etwa Trockentoleranz nicht durch einzelne Gene bestimmt, sondern durch ein komplexes Zusammenspiel zahlreicher genetischer Faktoren. Hinzu kommt, dass sich die verschiedenen Stressantworten in der Pflanze untereinander beeinflussen oder sich auf die Produktivität auswirken. Oft sind stresstolerante Pflanzen weniger ertragsreich.

Eine einfache Selektion von Pflanzen auf ein bestimmtes Stresstoleranz-Merkmal ist schwierig, da der dafür verantwortliche „genetische Hintergrund“ nicht vollständig an die Nachkommen weitervererbt wird. Ein Problem ist auch, dass bei Kreuzungen zwischen stresstoleranten Linien und Kultursorten diese ihre positiven Eigenschaften - etwa in Bezug auf Produktqualität oder Anbau - verlieren können.

Eine bessere Stresstoleranz soll zudem nicht mit Ertragseinbußen erkauft werden. So sollen trockentolerante Sorten zwar bei Wassermangel bessere Erträge liefern als konventionelle Sorten, jedoch nicht schlechter sein, wenn ausreichend Wasser vorhanden ist.

Wie Pflanzen auf Stress reagieren - die Suche nach dem genetischen Hintergrund

Derzeit wird auf dem Gebiet der Stresstoleranzen von Pflanzen noch viel Grundlagenforschung betrieben. Wenn sich die Umweltbedingungen ändern, reagieren Pflanzen mit komplexen Anpassungsstrategien. So weiß man, dass manche Pflanzenarten bei Trockenheit ihr Wurzelwachstum intensivieren, um an Wasser in tieferen Bodenschichten heranzukommen. Andere Pflanzen stellen dagegen das Wachstum ein. Ein weiterer Mechanismus sind die Spaltöffnungen (Stomata) an der Blattunterseite, mit denen Pflanzen ihre Kühlung regulieren und die bei Wassermangel geschlossen werden. Versuche zeigen, dass sich über diesen Vorgang die Wassereffizienz einer Pflanze deutlich verbessern lässt. Allerdings führen geschlossene Stomata auch zu einer Verringerung der Fotosynthese.

Bei manchen Pflanzenarten sind verschiedene Schlüsselproteine oder Hormone identifiziert worden, welche bei der Stressantwort eine wichtige Rolle spielen. Wenn es gelingen würde, die Produktion dieser Anti-Stress-Substanzen zu verstärken, könnten Pflanzen heiße oder trockene Perioden besser überstehen.

Zunächst geht es darum, diese verschiedenen Mechanismen molekularbiologisch zu verstehen und herauszufinden, welche Gene und Genelemente sie steuern. Das ist oft sehr komplex. Doch inzwischen weiß man eine ganze Menge, und die Züchter haben begonnen, dieses Wissen zu nutzen, um stressfestere Sorten zu entwickeln. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz - moderne molekularbiologische Kreuzungszüchtung, Gentechnik, aber auch die neuen Möglichkeiten des Genome Editing (CRISPR), mit denen punktgenaue Mutationen durchgeführt werden können.

  • Klassische Züchtung (Smart Breeding): Vor allem mit der modernen „Präzisionszüchtung“ - auch SMART Breeding genannt - sind in den letzten Jahren erstaunliche Fortschritte bei Sorten mit verbesserter Stresstoleranz erzielt worden. Wie bei allen Ansätzen ist auch hier eine intensive Genomforschung Voraussetzung.
    Man sucht in den Herkunftsregionen der jeweiligen Kulturarten nach seltenen, bisher kaum bekannten Wildarten oder Landrassen, die besonders gut an Trockenheit angepasst sind. Nun geht es darum, im riesigen Genom dieser Pflanzen genau jene Gene und Genabschnitte (Marker) zu identifizieren, die an der Ausprägung der Stresstoleranz beteiligt sind. Wenn man dann solche Pflanzen mit Kultursorten kreuzt, läßt sich mit modernen molekularbiologischen Methoden in den Nachkommen überprüfen, ob das mit dem angestrebten Merkmal korrelierende Gen-Muster vorhanden ist. - Verschiedene Sorten mit so verbesserter Stresstoleranz und Wassereffizienz werden bereits angebaut.
  • Gentechnik: Trotz anfänglicher Enttäuschungen sind inzwischen bei mehreren Kulturarten gv-Sorten auf dem Markt, die zumindest unter moderatem Hitze- oder Dürrestress bessere Erträge liefern als vergleichbare konventionelle Sorten. In den USA ist seit 2013 der DroughtGard-Mais im Anbau. Drei Jahre später stand er bereits auf einer Fläche von 1,2 Millionen Hektar (2016). Der Mais besitzt ein Gen aus Bacillus subtilis-Bakterien. Es sorgt für die Bildung des „Kälte-Schock-Proteins“, das in Stresssituationen wie Wassermangel dazu beiträgt, wichtige Zellfunktionen aufrechtzuerhalten.
    In Argentinien ist eine im Rahmen der öffentlichen Agrarforschung entwickelte stresstolerante Sojabohne für den Anbau zugelassen. Die neuen Eigenschaften gehen auf ein verändertes Gen aus der Sonnenblume zurück, welches die Ethylenbiosynthese und damit das Pflanzenwachstum unter Stress beeinflusst. In fünfjährigen Feldversuchen hatte sich gezeigt, dass die Erträge bei Trockenstress und hohem Salzgehalt um 14 Prozent höher lagen als bei herkömmlichen Sojabohnen.
    Gv-Zuckerrohr mit einer erhöhten Trockentoleranz haben staatliche Forschungseinrichtungen in Indonesien entwickelt. Hier wurde ein bakterielles Gen für ein Protein eingeführt, dass Pflanzenzellen unter Tockentress stabilisiert. Nach Tests im Freiland wurde das gv-Zuckerrohr 2013 für den Anbau zugelassen.
  • Genome Editing (CRISPR/Cas) Was die neuen präzisen Genome Editing-Methoden („Genschere“) im Hinblick auf eine höhere Stresstoleranz leisten können, zeigt ein aktuelles Maisprojekt aus den USA. Wissenschaftler hatten herausgefunden, dass ein bestimmtes Protein (ARGOS8) die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber dem Wachstumshormon Ethylen senkt. Produziert die Pflanze mehr ARGOS8-Protein, reagiert sie bei Stress robuster und stellt nicht wie sonst bei Wassermangel das Wachstum ein. Mit der CRISPR-Methode gelang es, den Schalter (Promotor) des ARGOS8-Gens so umzuschreiben, dass es unter Stressbedingungen aktiv bleibt und der so editierte Mais dann bessere Erträge liefert. Das Unternehmen DuPont-Pioneer plant eine Markteinführung in den nächsten Jahren - gut möglich, dass er in den USA nicht unter die Gentechnik-Regulierung fällt.