Drought-tolerant maize as a response to climate change
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Drought-tolerant maize as a response to climate change

Climate change is posing increasing challenges for agriculture. Plant breeding is therefore working at full speed to develop varieties with better resistance to environmental stress. Drought tolerance plays a particularly important role in this.

Monday, October 25, 2021

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Pflanzenforscher in den USA sind einem neuartigen Mechanismus auf die Spur gekommen, mit dem Mais unempfindlicher gegen vorübergehende Trockenperioden gemacht werden kann. Die verstärkte Produktion eines pflanzeneigenen Stickstoff-Speichereiweisses macht die Pflanzen unempfindlicher gegen Dürre während der Blütezeit. So können die Erträge in Vergleich zu herkömmlichen Sorten bei schwierigen Wachstumsbedingungen deutlich gesteigert werden.

Megatrend: Klimawandel

Höhere Temperaturen, häufigere Wetter-Extreme, längere Dürre-Perioden: der Klimawandel stellt die Landwirtschaft zunehmend vor Herausforderungen. Mit Hochdruck arbeitet die Pflanzenzüchtung an der Entwicklung von Sorten mit besserer Widerstandsfähigkeit gegen Umwelt-Stress. Dürretoleranz spielt dabei eine besonders wichtige Rolle. Zwar kann keine Pflanze ganz ohne Wasser überleben, aber das Ertragen von vorübergehender Trockenheit ohne massive Schäden bietet grosse Vorteile, wenn Niederschläge eine Zeitlang ausbleiben. Dadurch können Ertragsschwankungen und Ernteverluste reduziert werden.

Dürretoleranz dank Genomeditierung
In den wichtigsten Mais-Anbauregionen der USA haben herkömmlich gezüchtete Sorten mit besserer Trockentoleranz innerhalb weniger Jahre einen Flächenanteil von 20% erreicht, im besonders regenarmen Westen von bis zu 40% - 60%. Für die Dürretoleranz-Züchtung kommen auch neue Technologien wie die Genomeditierung zum Einsatz. Diese zeigen ein grosses Potential, und gelangen zunehmend in den Anbau.

Pflanzenforscher aus den USA und aus Mexiko sind jetzt unerwartet einem neuartigen Mechanismus auf die Spur gekommen, mit dem Mais dürretoleranter gemacht werden kann. Eigentlich waren sie auf der Suche nach einer Möglichkeit, die Speicherkapazität in Maispflanzen für das wichtige Dünger-Element Stickstoff zu verbessern, damit die Pflanzen trotz schwankender Versorgung von aussen ohne Einschränkung weiterwachsen können. Sie beobachteten, das Maispflanzen bei guter Stickstoff-Versorgung verstärkt ein bestimmtes Eiweiss mit unbekannter Funktion, ZmLOX6, produzierten. Viele zweikeimblättrige Pflanzen haben vegetative Speicherproteine (VSPs) als Stickstoffspeicher. In Gräsern, wie in Getreide und Mais, waren solche bisher aber nicht bekannt.

Besonders effektiv während der Blütezeit
Die Forscher vermuteten, dass ZmLOX6 als Stickstoff-Speicher in Mais wirken könnte. Um die Funktion des Proteins zu verstehen, entwickelten sie Maispflanzen, in denen die Ablesung des Gens von einem starken Pflanzen-Promotor angetrieben wurde, und die das Protein daher anreicherten. In Feldversuchen in verschiedenen Regionen der USA unter unterschiedlichen Wachstumsbedingungen stellten sie fest, dass die modifizierten Pflanzen im Vergleich zu herkömmlichen Sorten bessere Erträge aufwiesen. Besonders deutlich waren die Unterschiede bei Trockenheit während der Blütezeit, hier lag der Ertragsvorteil bei manchen Sorten bei fast 20%.

Der genaue Mechanismus, wie ein mögliches Stickstoffspeicher-Protein die Dürretoleranz erhöhen kann, ist noch nicht klar. Die Forscher vermuten, dass die genetisch veränderten Pflanzen nach Ende der Trockenperiode aufgrund des gespeicherten Stickstoffs schneller wieder ein normales Wachstum aufnehmen können. Der Zusammenhang zwischen Pflanzen-Ernährung und Dürretoleranz soll jetzt weiter untersucht werden, um neue Ansätze zur Entwicklung dürretoleranter Sorten zu erhalten.

Dieser Beitrag entstammt dem Newsletter POINT des Wirtschaftsverbands scienceindustries vom 29. Oktober 2021. POINT befasst sich in regelmässigen Abständen mit aktuellen Entwicklungen in der Biotechnologie.

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