Um den bevorstehenden Herausforderungen der globalen Ernährungssicherheit zu begegnen, ist es dringend notwendig, innovative Züchtungsstrategien zur Steigerung der Ernteerträge zu entwickeln. Dieses Projekt soll einen Beitrag dazu zu leisten, indem wir Strategien und Materialien entwickeln, die die photosynthetische Effizienz verbessern. Der Ernteertrag wird durch die verfügbare solare Einstrahlungsenergie (St), die Strahlungs-Interzeptions-Effizienz (εi), die Lichtkonversions-Effizienz (εc) und den Ernte-Index (εp) bestimmt. Aus dieser faktoriellen Analyse geht die photosynthetische Effizienz als der stärkste Faktor für die Ertragssteigerung hervor. Das Projekt zielt daher darauf ab, neue Strategien zur Steigerung der Photosynthese zu entwickeln. Eine Steigerung der pflanzlichen Photosynthese wäre ein wichtiger Schritt zur Ertragsverbesserung, jedoch auf nachhaltige Weise, ohne mehr Ackerfläche für die landwirtschaftliche Nutzung zu opfern.

Die ersten beiden Teilprojekte konzentrieren sich auf das Blatt, das zentrale Organ der Photosynthese bei Angiospermen. Sie stützen sich auf jüngste überzeugende experimentelle und theoretische Beweise dafür, dass Blattform und innere Anatomie die photosynthetische Leistung dieses Organs beeinflussen. Die beiden Teilprojekte zielen darauf ab, Gene zu identifizieren, die die Blattmorphologie und -anatomie in einer für die Photosynthese relevanten Weise beeinflussen, und zu untersuchen, wie und in welchem Ausmaß diese Gene genutzt werden können, um die photosynthetische Leistung der Blätter zu optimieren. Beide Teilprojekte verfolgen genetische Ansätze unter Verwendung etablierter Modellsysteme (Arabidopsis und Cardamine), die ihre Eignung für eine einfache Identifizierung von Genen und deren Funktionen nachgewiesen haben. Die beiden gewählten Modellarten gehören zu den Brassicaceae. Da Photosynthese und Blattdifferenzierung zumindest bei den Angiospermen in der Evolution recht konserviert sind, sollte der Wissenstransfer von diesen Modellsystemen auf die wichtigsten Nutzpflanzenarten dieser Familie, die Brassicas, relativ einfach sein.

Das dritte Teilprojekt befasst sich mit der experimentellen Evolution zur Verbesserung der Photosynthese bei der Kulturpflanze Weizen (Triticum aestivum). Weizen wurde ausgewählt, weil die Züchtungsbemühungen bei dieser Kulturpflanze vor dem grundsätzlichen Problem stehen, dass der Hauptengpass zur Steigerung des Ertragspotenzials, die Lichtkonversionseffizienz, in der modernen Weizenzüchtung nahezu unverändert geblieben ist. Das in diesem Teilprojekt verwendete Evolutionskonzept basiert auf dem aktuellen Modell der C4-Evolution, das besagt, dass der Übergang von der C3- zur C4-Photosynthese in Modulen ablief und dass jedes der einzelnen Module adaptiv war, was bedeutet, dass jeder Schritt einen kleinen, aber nachweisbaren Vorteil in der photosynthetischen Kapazität brachte. Durch die Einführung von Mutationen in den Weizen und die Verwendung einer niedrigen CO2-Konzentration als Selektionskriterium sind Mutantenlinien zu erwarten, die eine Verbesserung der photosynthetischen Kapazität aufweisen und in die breite Kategorie der C3-C4-Intermediate eingeordnet werden können. Kandidatenlinien, die eine höhere Toleranz gegenüber niedrigem CO2 aufweisen, sind auch potentielle Kandidaten mit verbesserter Trockentoleranz. Daher sind intermediäre C3-C4-Mutantenlinien potenziell von direktem Interesse für Züchtungszwecke.

Der Antrag bringt Wissenschaftler mit sehr komplementären Interessen und etablierten Erfolgen in der Blattphysiologie und deren Genetik (Westhoff), Blattentwicklungsgenetik (Tsiantis), Pflanzengenetik und -züchtung auch im privaten Sektor (Falk) und Pflanzenwachstumsanalyse zusammen, gekoppelt mit einzigartiger Expertise in der Entwicklung und Anwendung neuartiger Phänotypisierungsmethoden (Fiorani). Diese Teamzusammensetzung wird es uns ermöglichen, sowohl konkrete Strategien als auch Keimplasma zu liefern, die eine Steigerung der Photosyntheseeffizienz auf ein Niveau bringen, das unter Feldbedingungen greifbare Vorteile zeigt.