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Erde|Umwelt

Nutzpflanzen: Hilfe durch alte Gene

WEizen
Weizen ist eine unserer wichtigsten Nutzpflanzen. © IakovKalinin/ iStock

Resistente Pflanzenschädlinge, Klimawandel & Co: Unsere Nutzpflanzen stehen vor großen Herausforderungen. Um sie dagegen zu wappnen, könnten Informationen aus Gendatenbanken alter Sorten der Schlüssel sein, wie Zuchtexperimente nahelegen. Dabei kreuzten Biologen gezielt Gene aus alten, seltenen Weizenlinien in moderne Hochertragssorten ein. Die resultierenden Weizenpflanzen waren daraufhin resistent gegen einen bedeutenden Schädling und sogar ertragreicher als die modernen Elite-Sorten.

Genbanken weltweit speichern die genetischen Informationen von unzähligen Arten und leisten somit einen wichtigen Beitrag zum Erhalt der biologischen Vielfalt. Dort sind beispielsweise auch die Genome vieler alter und exotischer Nutzpflanzen gespeichert, die heutzutage gar keine Anwendung mehr auf den Feldern finden. Doch diese Pflanzen bergen einen regelrechten Informationsschatz in sich: In Zeiten, in denen Trockenheit und Hitze unseren Nutzpflanzen zusetzen und aggressive Pflanzenerreger selbst gegen Pestizide Resistenzen entwickeln, müssen neue Sorten entwickelt werden, durch die Weizen, Gerste & Co resistenter gegen Klimaveränderungen und Schädlinge werden und so unsere Nahrungsversorgung sicherstellen können.

Die Kreuzung macht‘s

Möglich wird dies, weil die in den Gendatenbanken gespeicherten, alten Sorten einige wertvolle Eigenschaften besitzen, die in modernen Sorten verloren gegangen sind, die aber für die Pflanzenproduktion der Zukunft entscheidend sein können. Doch wie kann dieser Schatz biologischer Vielfalt für der Landwirtschaft erschlossen werden? Dieser Frage sind Albert Schulthess vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben und seine Kollegen nachgegangen. Dafür entwickelten sie eine Strategie, bei der sie moderne Nutzpflanzen, sogenannten Elitepflanzen, mit alten Sorten aus der Genbank kreuzten.

Ziel bei diesen Kreuzungsversuchen war es, die hohen Erträge der modernen Nutzpflanzen zu erhalten, aber dennoch die gewünschten Merkmale der alten Sorten in die resultierenden Pflanzen einzuschleusen. „Dies erforderte von allen Projektbeteiligten eine logistische Meisterleistung und viele kreative Kniffe, um das Potenzial der alten Sorten ohne störende Effekte zu bewerten“, betont Schulthess. Durch ihre Kreuzungstests war es dem Team schließlich möglich, die umfangreiche Sammlung alter Weizensorten in der Bundeszentralen Ex-situ-Genbank am Leibniz-Institut im Labor und in Feldversuchen exemplarisch auf ihre Ertragsleistung und Resistenz gegen den Gelbrostbefall zu testen.

Resistent und trotzdem ertragreich

Die Leistung der resultierenden Brückenlinien aus der Kreuzung von vielversprechenden, alten Sorten mit modernen Weizenpflanzen überraschte die Wissenschaftler: „Wir haben bei einigen Brückenlinien höhere Erträge beobachtet als bei wichtigen aktuellen Elitesorten“, berichtet Schulthess. Die Forschenden konnten damit zeigen, dass Gene alter Sorten tatsächlich dazu beitragen können, die modernen Nutzpflanzen effizienter zu machen. „Durch die umfassende Sequenzierung von alten und neuen, aber auch hierzulande nicht heimischen Sorten in Kombination mit den wertvollen Felddaten konnten wir mögliche neue Genvarianten für die Resistenz gegen Gelbrostbefall identifizieren“, sagt Schulthess.

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Das ermöglicht einen großen Schritt in Richtung einer Landwirtschaft mit weniger oder gar keinem Pestizideinsatz. Das Immunsystem des hiesigen Weizens kann demnach mithilfe der neu entdeckten Genomregionen aus den alten Pflanzen bereichert und diverser gemacht werden. Doch bis die Resistenzgene aus den alten Sorten in der Pflanzenproduktion eingesetzt werden können, sind noch erhebliche Herausforderungen zu bewältigen. So müssen die Resistenzgene validiert und in den Hintergrund von Elitelinien eingesetzte werden, ohne dass sie bestehende Zellmechanismen stören. Dennoch ist Seniorautor Jochen Reif überzeugt, dass die biologische Vielfalt des Elitepools durch die Nutzung neuer wertvoller genetischer Variation der Brückenlinien erhöht werden kann: „Dies ist von großer Bedeutung, um die riesigen Probleme zu bewältigen, vor die der Klimawandel die Landwirtschaft stellt“.

Quelle: Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, Fachartikel: Nature Genetics, doi: 10.1038/s41588-022-01189-7

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