Auf Los geht’s los

Forscher lassen Reis kontrolliert blühen

19.04.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Beim Ertrag spielt auch der Zeitpunkt der Blütenbildung eine nicht unerhebliche Rolle. (Bildquelle: © Freeimages9/ pixabay.com/ CC0)
Beim Ertrag spielt auch der Zeitpunkt der Blütenbildung eine nicht unerhebliche Rolle. (Bildquelle: © Freeimages9/ pixabay.com/ CC0)

Wie hoch die Erträge am Ende des Tages sind, hängt nicht nur vom Geschick des Landwirts und seiner Ausstattung ab. Auch der Zeitpunkt der Blütenbildung ist neben vielem anderen ein wichtiger Faktor. Bauern in aller Welt können ein Lied davon singen. Einem Team von Wissenschaftlern ist es nun am Bespiel der bedeutendsten Nutzpflanze aus Fernost gelungen, das Timing der Blütenbildung exakt zu kontrollieren.

Reis (Oryza sativa) ist für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung das wichtigste Grundnahrungsmittel. Berechnungen der FAO zufolge wird die Weltproduktion für das laufende Jahr bei rund 504 Millionen Tonnen liegen, von denen 406 Millionen Tonnen direkt als Nahrungsmittel genutzt werden. Zwar hält der Produktivitätszuwachs mit dem globalen Bevölkerungsanstieg – beide steigen im Jahr um rund 1,2 % und werden zur Orientierung gerne nebeneinander gestellt – nach wie vor Schritt, doch sehen Experten diese Entwicklung in Gefahr. Erste Stimmen waren bereits Ende des 20. Jahrhunderts zu hören, als in Teilen Asiens, woher rund 90 % der Weltreisproduktion stammen, die Bevölkerungsentwicklung und der Produktivitätszuwachs begannen, sich auseinander zu entwickeln.

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Fluoreszenz-Mikroskopfaufnahme einer Reisblüte.

Fluoreszenz-Mikroskopfaufnahme einer Reisblüte.

Bildquelle: © CSIRO/ CC BY 3.0

Wie hängen der Zeitpunkt der Blütenbildung und der Flächenertrag zusammen?

Es sieht ganz danach aus, als existiert derzeit eine Art Obergrenze beim Flächenertrag, die zu durchbrechen aber essentiell sein wird, um künftige Generationen zu versorgen, vor allem im asiatischen Raum. Wissenschaftlern ist nun ein wichtiger Durchbruch (Proof of Concept) gelungen, der sich wegen seiner Übertragbarkeit auf andere Getreidearten wie Mais (Zea mays) als großer Wurf entpuppen könnte. Kurz und knapp gesagt gelang es ihnen, eine Reislinie zu züchten, deren Blütenbildung per Knopfdruck aktiviert werden kann.

Dass sie sich genau auf die Blütenbildung konzentrierten, liegt daran, dass Pflanzenforscher und -züchter wissen, dass die Blütenbildung ein wichtiges Entwicklungsstadium markiert, um Reispflanzen, aber auch andere Nutzpflanzen, ertragreicher zu machen. (Neben anderen Ansatzpunkten wie Aussaat, Auflaufen, Bestandsschluss, Bestockung, Kornbildung, Kornreife, Ernte, etc.) In Bezug auf die Blütenbildung geht es dabei u. a. um das Timing.

Wenn Reispflanzen vom vegetativen zum generativen Wachstum übergehen und mit der Bildung der Blüten beginnen, tun sie dies in Abhängigkeit von inneren und äußeren Faktoren. Zu Letzteren zählen vor allem die Tageslichtdauer und die Temperatur, aber auch die Versorgung mit Nährstoffen. Einmal in Gang gesetzt ist der Prozess nicht mehr aufzuhalten, was sich mitunter als Fallstrick erweisen kann. Schließlich sind Reispflanzen just in dieser Umstellungsphase besonders anfällig. Ein plötzlicher Wetterumschwung oder eine dreiwöchige Kaltfront mit Niederschlägen und Platzregen zu diesem Zeitpunkt können verheerend sein.

2009 wurde der Grundstein gelegt

Schon länger überlegen Züchter und Landwirte daher, ob und wie es möglich ist, die Blütenbildung von äußeren Umweltfaktoren abzukoppeln und unter Kontrolle zu bringen, um Pflanzen erst dann in die Blüte zu schicken, wenn das Zeitfenster günstig ist. 2009 gelang dies erstmals an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, nun aber endlich an einer Nutzpflanze von Weltrang.

Die Forscher begannen zunächst damit, blühunfähige Japonica-Reislinien zu züchten, indem sie einen wichtigen genetischen Repressor (Grain number, plant height and heading date 7, kurz Ghd7) überexprimierten. Dies hatte zur Folge, dass insgesamt drei für die Blütenbildung wichtige Gene deaktiviert wurden: Early heading date 1 (Ehd1), Heading date 3a (Hd3a) und Rice FT-like 1 (RFT1).

Zweckentfremdung eines Pestizids

Nachdem sich die Forscher vergewissert hatten, dass die modifizierten Reispflanzen unter keinen Umständen blühten und das über mehrere Jahre hinweg, gingen sie zu Schritt zwei über. Um die genetische Handbremse bei Bedarf wieder lockern zu können, schleusten sie in die blühunfähigen Reispflanzen einen speziellen Promotor ein. Diesen platzierten sie jedoch nicht in der Nähe von Ghd7, sondern am Ende der Signalkaskade, direkt vor das deaktivierte Hd3a-Gen.

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Ein Befall durch den Schadpilz Magnaporthe grisea äußert sich über braun-gelbe Blattflecken und Verfärbungen wie auf dem Bild. Im Reisanbau zählt er zu den ökonomisch verheerendsten Pathogenen überhaupt.

Ein Befall durch den Schadpilz Magnaporthe grisea äußert sich über braun-gelbe Blattflecken und Verfärbungen wie auf dem Bild. Im Reisanbau zählt er zu den ökonomisch verheerendsten Pathogenen überhaupt.

Bildquelle: © Donald Groth – USDA / Wikimedia.org/ gemeinfrei

Das Besondere an diesem Promotor ist, dass er durch äußere Einflüsse aktiviert werden kann. Jedoch weder durch Licht noch Wärme, sondern mithilfe einer chemischen Verbindung. Diese ist Bestandteil eines Pflanzenschutzmittels, das normalerweise gegen den Schadpilz Magnaporthe grisea eingesetzt wird. Werden die blühunfähigen Reispflanzen nun mit dem Pestizid besprüht, wird der neu eingesetzte Promotor von Hd3a aktiviert und die Transkription des Gens eingeleitet. Die Blütenbildung beginnt.

Welche Fragen sind noch zu klären?

Dass der Landwirt das Pestizid im Umkehrschluss nicht mehr zur Bekämpfung des Schadpilzes einsetzen kann, versteht sich. Aus Sicht der Forscher ist dies jedoch langfristig das leichter zu lösende Problem, da es Alternativen gibt. Wichtiger aus ihrer Sicht bleibt die Klärung anderer Fragen. Zum Beispiel, warum ihre Strategie nur bei hemizygoten Linien funktioniert, nicht aber bei homozygoten, also Inzuchtlinien, wie sie in der intensiven Landwirtschaft zum Einsatz kommen. Dies gilt nicht für das überexprimierte Ghd7-Gen, sondern für das um den speziellen Promotor erweiterte Hd3a-Gen. Liegt Letzteres als Allelpaar (homozygot) vor, ist es nicht mehr möglich, die Blütenbildung künstlich in Gang zu setzen. Diesen Stein aus dem Weg zu räumen, sehen sie als zentral an, um ihren Ansatz in die Anwendung zu bringen.

Ebenfalls zu klären wären einige phänotypische Nebeneffekte, die bei den transformierten Reispflanzen zutage traten. Abgesehen von der gewünschten Fähigkeit, auf Knopfdruck zu blühen, fielen den Forschern Reislinien auf, die deutlich bessere agronomische Merkmale besaßen als die Kontrollgruppe. Dies betraf die Größe und das Gewicht der Rispen, die Zahl der Ähren oder die Biomasse der Pflanzen. Vieles deutet darauf hin, dass die Signalkaskade nicht losgelöst vom genetischen Hintergrund einer Linie betrachtet werden darf. Obwohl die Nebeneffekte in diesem Fall erfreulicherweise positiv waren, müssen auch unerwünschte Begleiterscheinungen in Betracht gezogen werden.

Am Ende entscheidet der Verbraucher

Bis es soweit ist, dass Landwirte erst nach Überprüfung des Wetterberichts ihre Schösslinge in die Blüte schicken, wird also noch etwas Zeit vergehen. Schließlich stehen auch noch Feldversuche über mehrere Generationen an, welche notwendig sind, um die Stabilität der Merkmalsausprägung unter unterschiedlichen Umwelt- und Wachstumsbedingungen zu testen.

Bis dahin dürften vermutlich auch Versuche angelaufen sein, das Prinzip auf andere Nutzpflanzen zu überragen. Was dafür spricht, ist dass die reisspezifische Genkaskade in Form orthologer Gene auch bei anderen Pflanzenarten vorkommt wie z. B. Mais. Für die Einführung aber ebenso relevant ist jedoch auch die Frage, ob ein derart modifizierter Reis überhaupt auf die Zustimmung und Akzeptanz der Verbraucher treffen wird.

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