Reis und Weizen: Neue Gene für größere Ernte

Forscher identifizieren neue Gene für Korngröße und Kornanzahl

17.02.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Der Ernteeintrag hängt von  der Anzahl und der Größe der Körner an einer Ähre ab. (Bildquelle: © Rainer Sturm/ pixelio.de)
Der Ernteeintrag hängt von der Anzahl und der Größe der Körner an einer Ähre ab. (Bildquelle: © Rainer Sturm/ pixelio.de)

Die Rechnung ist einfach. Je mehr Körner ein Getreidehalm trägt und je größer diese Körner sind, umso höher ist der Ernteertrag. Bei Weizen und Reis haben Wissenschaftler jetzt Gene identifiziert, die genau diese beiden Variablen beeinflussen.

Über Jahrtausende hinweg haben Menschen unsere Nutzpflanzen zu dem gemacht, was sie jetzt sind. Durch ständige Selektion wurden aus unscheinbaren Kräutern die Pflanzen, die inzwischen die Welt ernähren. Doch während die Bevölkerung weiterhin rasant wächst, steigen die Erträge von unseren wichtigsten Nahrungspflanzen nur noch gemächlich. In den Industrieländern stagnieren sie teilweise sogar.

Das ist fatal. Denn damit wir auch in Zukunft alle satt werden, müsste die Lebensmittelproduktion in den nächsten 30 Jahren um 75 Prozent anwachsen, schätzt die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen, die FAO.

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Ährchen, sind immer abwechselnd links und rechts der Spindel (Ähre) angeordnet und bringen beim Weizen meist drei bis vier Körner hervor.

Ährchen, sind immer abwechselnd links und rechts der Spindel (Ähre) angeordnet und bringen beim Weizen meist drei bis vier Körner hervor.

Bildquelle: © iStock.com/Elenathewise

An eine Ausdehnung der Anbauflächen ist jedoch nicht zu denken. Fast das gesamte fruchtbare Land  wird bereits bewirtschaftet. Stattdessen müssen Forscher und Züchter ertragreichere Pflanzen entwickeln.

Das Scheinwerferlicht liegt dabei vor allem auf Reis und Weizen, die gemeinsam fast 40 Prozent der weltweit konsumierten Kalorien ausmachen. Bei beiden Pflanzen sind jetzt Fortschritte zu vermelden.

Doppelte Kornanzahl beim Weizen

Australische Forscher haben sich dem Weizen gewidmet und herausgefunden, dass die Anzahl der Ährchen vom Gen Photoperiod Dependent-1 (Ppd-1) reguliert wird. Ährchen, das sind die Einzelteile der Ähre. Sie sind immer abwechselnd links und rechts der Spindel angeordnet und bringen beim Weizen meist drei bis vier Körner hervor.

Ist das Gen Ppd-1 deaktiviert, bildeten die Pflanzen gepaarte Ährchen aus: An jeder Seite der Spindel wachsen dann statt einem gleich zwei. Diese Entdeckung ist so bedeutsam, dass sie es unter der Überschrift „Zweizackiger Angriff“ auf die Titelseite des neuen Journals Nature Plants geschafft hat.

Vermutlich verläuft der Signalweg von Ppd-1 über das Gen Flowering Locus T (FT), das von Ppd-1 aktiviert wird. Wie genau die Interaktion abläuft, ist bisher aber noch nicht bekannt. „Die Entdeckung, dass diese beiden Gene die Anzahl der Körner regulieren, bringt uns einen Schritt näher an die Entwicklung einer angemessenen Strategie um das Ertragspotential des Weizens zu verbessern“, schreibt Fathey Sarhan von der kanadischen Université du Québec à Montréal in einem begleitenden Kommentar.

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Das Kasalath-Allel könnte ein guter Angriffspunkt für Ertragssteigerungen bei Reis, aber auch bei anderen Nutzpflanzen sein.

Das Kasalath-Allel könnte ein guter Angriffspunkt für Ertragssteigerungen bei Reis, aber auch bei anderen Nutzpflanzen sein.

Bildquelle: © Dieter Schütz/ pixelio.de

Reis mit größeren Körnern

Nicht mit Weizen, sondern mit Reis haben sich Wissenschaftler aus Japan und den USA beschäftigt. Sie fanden heraus, dass das Gen OsglHAT1 die Korngröße von Reiskörnern beeinflusst, indem es in den Zellkern wandert und dort die Aktivität anderer Gene verändert. Zahlreiche Gene des Zellzyklus werden aktiviert, was zu vermehrter Zellteilung und dadurch größeren Körnern führt.

Besonders vorteilhaft ist dabei das Kasalath-Allel. Diese Ausprägung des Gens ist sehr aktiv und steigert deshalb das Korngewicht besonders stark. „Dieses seltene Allel, das so wichtig für Korngewicht, Ertrag und Biomasse-Produktion ist, ist bisher der menschlichen Selektion entwischt“, schreiben die Autoren um Xian Jung Song im Journal PNAS. Kasalath konnte bei den Experimenten nur in einigen kultivierten Indica-Sorten (Langkornreis) nachgewiesen werden, bei Japonica-Reis, dem Rundkorn- oder Klebreis, fehlt es scheinbar gänzlich. Hier dominiert das weniger aktive Nipponbare-Allel.

„Das Kasalath-Allel könnte ein guter Angriffspunkt für Ertragssteigerungen bei Reis aber auch bei anderen Nutzpflanzen sein“, ergänzt Jun Lyu in einem Kommentar für Nature Plants. Da die Forscher den positiven Effekt auf die Korngröße auch bei Arabidopsis beobachten konnten, scheint es plausibel, dass die Ergebnisse auf andere Pflanzen übertragen werden können.

Seit den 1960er Jahren waren die Erträge von Weizen und Reis rasant gestiegen. Grund war unter anderem die Züchtung von hochertragreichen Zwergsorten. In den letzten zwanzig Jahren, war dieser Trend gerade in den Industrieländern gar nicht mehr oder nur schwach zu erkennen. Forschung auf diesem Gebiet ist deshalb sehr wichtig. Damit die Welternährung auch in Zukunft gesichert werden kann, sind Ertragssteigerungen eine wichtige Komponente.

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