Bessere Gersteernten bei Trockenheit

Im Forschungsprojekt GABI-GRAIN sind 14 wissenschaftliche Partner angetreten, um die Kornfüllung der Gerste bei Trockenheit zu untersuchen. Am Ende soll dabei nicht nur neues Wissen herauskommen, sondern vor allem dürretolerante Linien und genetische Marker für deren weitere Zucht.

Jedes Jahr zerstört Dürre weltweit zahlreiche Ernten und verursacht Hungerkatastrophen. Selbst in Deutschland hat in den letzten warmen Sommern so manche Ernte die Klimaerwärmung negativ zu spüren bekommen. Sogar bei Gerste, eigentlich eine in dieser Hinsicht robustere Pflanze, mussten Landwirte erhebliche Ernteverluste verzeichnen. Im Juli 2007 hat das Projekt GABI-GRAIN sich auf die Fahnen geschrieben, innerhalb von vier Jahren die Grundlagen zu schaffen, um daran etwas zu ändern.

Bereits die Vorgängerprojekte GABI-SEED 1 und GABI-SEED 2 hatten sich mit der Samenentwicklung bei Gerste befasst, nicht jedoch mit Trockenstress. Zwar ist einiges darüber bekannt, wie sich Trockenheit auf die Entwicklung von Pflanzen auswirkt, doch wurde dabei meist auf die frühe Wachstumsphase geschaut. GABI-GRAIN hingegen konzentriert sich auf die Zeit der Samenfüllung. Genau diese Phase wird durch  Sommertrockenheit gestört. Die Folge sind sowohl schlechte Ernten als auch eine geringere Nährstoffqualität der Körner.

Die Forscher im Projekt GABI-GRAIN wollen deshalb Gerstenlinien entwickeln, die auch bei Trockenheit zu guten Ernten mit hohem Gehalt an Eiweiß und Stärke im Korn führen. Zunächst mussten die Wissenschaftler dazu die Gene identifizieren, die an der Reaktion der Pflanze auf Trockenstress beteiligt sind. Sind diese Gene erst einmal bekannt, lassen sich auf dieser Grundlage Gen- und Proteinmarker identifizieren, die zur Marker-gestützten Züchtung herangezogen werden können. Alternativ können nützliche Gene per Gentransformation in Hochleistungssorten übertragen werden.

Mit 178 verschiedenen, viel versprechenden Gerstenlinien hat die Suche begonnen. Einige dieser Linien stammten aus der Genbank des Projektpartners IPK Gatersleben und waren dafür bekannt, besonders robust oder empfindlich auf Trockenheit zu reagieren, allerdings bei sehr niedrigem Ertrag. Zehn weitere bezüglich Trockentoleranz geprüfte Elitelinien kamen aus den Beständen des Projektpartners KWS Lochow. Das Vorgängerprojekt GABI-SEED steuerte einen, der Projektpartner der Uni Halle einen zweiten Satz so genannter Introgressionslinien bei. In diesen Linien sind kleine Abschnitte eines Hochleistungsgenoms in einem mehrstufigen Kreuzungsprozess durch entsprechende Genomabschnitte einer Wildgerste ersetzt worden. Interessanterweise gibt es unter diesen Linien immer wieder einzelne, die bezüglich wichtiger Merkmale wie Ertrag, aber auch Qualität der für die Einkreuzung benutzten Elitelinie überlegen sind. Dafür verantwortlich müssen positive Positionseffekte sein, also Einflüsse, die das genetische Umfeld in einem Chromosom auf ein Gen ausübt.

Tatsächlich wurden im Projekt genau solche Gerstenlinien gefunden. Darunter waren sogar einzelne, deren Ertrag bei Trockenheit höher ist als unter normalen Bedingungen. Bevor diese Linien näher charakterisiert werden konnten, mussten jedoch erst einmal die Projektpartner Nordsaat Saatzucht und IPK alle 178 Linien in Gewächshäusern und an drei Standorten in Europa anbauen und unterschiedlicher Trockenheit aussetzen. Teilweise simulierten die Forscher Trockenheit, indem sie die Pflanzen mit einer Kaliumjodidlösung besprühten, einem Salz, das ähnlich der Trockenheit die Photosynthese blockiert. In aufwändigen Screenings wurden für jede Linie wichtige Leistungsparameter bestimmt.

30 besonders interessante Linien analysierten die Forscher schließlich hinsichtlich ihrer Physiologie, der Aktivität von ca. 50.000 Genen und der Aktivität wichtiger Enzyme. Dabei kam der Projektpartner MPI Golm ins Spiel, der neben der Enzymanalyse vor allem für die Bioinformatik zuständig ist. Am Ende wählten die Forscher zwölf Linien aus, die sie in drei Kategorien gruppierten und bis ins letzte Detail studierten: Linien, die schnell vertrockneten; Linien, die trotz Trockenheit lange grün blieben, aber wenig Stoffwechselprodukte den Samen zukommen ließen; und Linien, die zwar verzögert Trockenschäden zeigten, dabei aber die aus den absterbenden Blättern remobilisierten Stoffwechselprodukte zur verstärkten Ährenfüllung einsetzten und deshalb von besonderem Interesse sind.

Darüber hinaus konnten die Forscher verschiedene Gene identifizieren oder bestätigen, deren Aktivität mit hohem Stärke- oder Eiweißgehalt im Korn korreliert. Noch müssen diese Versuche wiederholt werden, um genügend Gewissheit zu bieten. Dann aber können diese Gene als Marker für die Marker-gestützte Züchtung und damit die weitere Entwicklung der aus GABI-GRAIN hervor gehenden Gerstenlinien genutzt werden.

Den Wissenschaftlern am IPK Gatersleben gelang es jedoch nicht nur über die Analyse und Kreuzung vorhandener Linien wichtiges Ausgangsmaterial für die weitere Züchtung zu selektieren, sondern auch transgene Linien mit einem besonders hohen Gehalt an Abscisinsäure im Korn zu erzeugen. Abscisinsäure trägt dazu bei, dass die Kornfüllungsrate auch bei Dürre hoch bleibt. Feldtests mit diesen Pflanzen stehen jedoch noch aus. Sie sind außerordentlich aufwendig und immer wieder von Zerstörung durch Gentechnikgegner bedroht.

Nicht vergessen darf man über den schon jetzt gewissen Erfolg bei der Entwicklung trockentoleranterer Linien, dass Gerste  auch als Modellpflanze genutzt wird. Viele Erkenntnisse darüber, was bei Trockenheit während der Kornfüllung und Samenentwicklung in der Gerste passiert, könnten daher auch für andere Pflanzen genutzt werden. Die nächste Aufgabe im Anschluss an GABI-GRAIN scheint schon jetzt gewiss: Das Verhältnis der gesamten Pflanze zum Samen, nicht nur während der Samenentwicklung und unter Trockenheit, muss noch besser verstanden werden.