Fit für den Klimawandel durch Symbiose

Klimakatastrophen verursachen Überschwemmungen, Dürreperioden und Ernteausfälle. Mit „Symbiogenics“ wollen US Forscher Kulturpflanzen klimatoleranter machen, ohne deren Erbmaterial zu verändern.

Das Klima wandelt sich und macht auch unsere Nahrungsmittelproduktion verwundbar. Überflutungen mit Salzwasser, Erderwärmung und Wasserknappheit werden zukünftig in vielen Teilen der Welt für Ernteeinbußen sorgen, so prognostizieren es die Studien internationaler Forschungsinstitute. 

Beim Reis, einem der wichtigsten Getreide der Welt, führt ein nächtlicher Temperaturanstieg um 1 °C beispielsweise zu Ernteverlusten von 10%. Laut Vorhersagen des International Food Policy Research Institutes (IFPR) wird die Reisernte durch die Klimaveränderungen im Jahre 2050 in Entwicklungsländern um 15% sinken und der Reispreis um 12% steigen. Gleichzeitig wird die Weltbevölkerung nach einem FAO Bericht von 2009 von heute 6,5 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050 auf 9,1 Milliarden Menschen anwachsen. 

Besonders an die voraussichtlich immer schneller werdenden Wechsel zwischen Wetterextremen können sich Nutzpflanzen nicht schnell genug natürlich anpassen. Bisherige Ansätze, Kulturpflanzen fit für den Klimawandel zu machen, konzentrieren sich auf die Verbesserung von Anbaumethoden und auf Züchtungsprogramme, die stresstolerantere Pflanzensorten hervorbringen sollen. Das Internationale Reisforschungsinstitut (IRRI) entwickelte beispielsweise eine gentechnisch veränderte Reissorte, die auch zwei Wochen nach einer Überflutung noch gute Erträge produziert. Doch solche Züchtungsprogramme sind kostenintensiv und die Entwicklung neuer Pflanzensorten bis hin zur Marktreife kann Jahre dauern.

Pflanzenforscher des Forschungszentrums United States Geological Survey (USGS) stellen jetzt eine neue Lösung vor, um Kulturpflanzen stresstoleranter zu machen. Indem sie Pflanzen mit symbiotischen Pilzen besiedeln, wollen sie ihre Anpassungsfähigkeit an Trocken-, Kälte- und Salzstress erhöhen, ohne deren Erbmaterial zu verändern. 

Die Pilzsymbiose schützt beim Stresstest

Die Wissenschaftler um den Mikrobiologen Rusty Rodriguez übertrugen sogenannte endophytische Pilze, die natürlich in salz- und hitzetoleranten Gräsern vorkommen auf Reispflanzen. Die Ergebnisse beschreibt Rodriguez in der Pressemeldung des USGS als „dramatisch“. Reispflanzen, die eine Symbiose eingingen, wuchsen schneller und produzierten fast 70% mehr Biomasse als die Testpflanzen, die nicht mit den Pilzen angeimpft wurden.

Auch Salz-, Trocken- und Kältestress überstanden die pilzbesiedelten Pflanzen besser, als Pflanzen ohne symbiotische Partner. Aus Dünengräsern der Meeresküste isolierten die Wissenschaftler den Pilz Fusarium culmorum und übertrugen ihn auf die Reispflanzen. Ohne diesen Pilz verliert auch das Dünengras seine Salztoleranz. Bei stetig steigendem Salzgehalt im Nährboden wurden Reispflanzen ohne F. culmorum deutlich in ihrem Wachstum beeinträchtig. Sie produzierten 30 % weniger Wurzel- und 26 % weniger Schößlingsmasse als die Symbiose-Pflanzen, deren Wachstum durch den Salzstress nur wenig gedrosselt wurde.

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Wurden Pilze der Gattung Curvularia übertragen, waren die Reispflanzen besser gegen kalte Temperaturen von 5 °C geschützt, die normalerweise nicht optimal für Reispflanzen sind. Von den Keimlingen, die keine Pilze beherbergten, überlebte nur etwa die Hälfte, während bei den Symbiose-Pflanzen 90 % den Kältestresstest überstanden. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass die Culvarium-Pilze den Pflanzen nicht nur eine erhöhte Kältetoleranz verliehen, sondern gleichzeitig deren Wasserverbrauch um bis zu 33 % reduzierten.

Culvarium-Pilze leben normalerweise in Symbiose mit dem Rispengras Dichanthelium lanuginosum, das auch im Yellowstone-Nationalpark in Kalifornien wächst. Dort gibt es viele heiße Quellen, die den Boden auf bis zu 70 °C aufheizen. Die Rispengras-Culvarium-Symbiose findet man aber auch an kälteren Standorten, in denen der Boden im Winter gefriert. Die Forscher vermuteten deshalb, dass der Pilz die Pflanzen kälteunempfindlicher und gleichzeitig toleranter gegenüber Trockenstress machen kann.

Ein Geheimnis zwischen Pilz und Pflanze

Über den molekularen Mechanismus, der hinter der vorteilhaften Beziehung zwischen Pflanze und Pilz steckt, ist jedoch noch kaum etwas bekannt. Die Wissenschaftler vermuten, dass der Pilz zwar das Erbgut der Wirtspflanzen nicht verändert, aber bestimmte Pflanzengene, die einen Stressschutz begünstigen, an- und ausschalten kann. Erste physiologische Tests der Forscher zeigten, dass der Pilz den Gehalt an schädlichen Sauerstoffradikalen verringert, die Pflanzen vermehrt bei Stress produzieren. Darüber hinaus scheinen die Pilze selbst Stoffe zu produzieren, die sich förderlich auf das Wachstum der Pflanze auswirken, wie beispielsweise das Pflanzenhormon Auxin, auch IAA genannt. 

„Symbiogenics“ statt Gentechnik?

Laut unveröffentlichten Ergebnissen der Wissenschaftler erhöhen die Pilze sogar die Stresstoleranz von Tomaten und Weizen. Bisher wurde die Besiedelung von Kulturpflanzen mit den symbiotischen Pilzen jedoch nur in Wachstumskammern und Treibhäusern getestet. Nun sollen Feldstudien folgen, die zeigen, ob die Pilze auch unter verschiedenen Umweltbedingungen in Kulturpflanzen, die normalerweise nicht ihre Wirte sind, überleben. 

“Dies ist eine sehr einfache Technologie, die ohne eine Vielzahl an Chemikalien und gentechnisch manipulierten Organismen auskommt.“, beschreibt Regina Redman, Autorin der Studie die Vorzüge der neuen Technik, die die Forscher „Symbiogenics“ getauft haben. Der Begriff steht für „symbiotisch veränderte Genaktivität“. 

Rusty Rodriguez sieht in der Symbiogenics eine der wenigen wirksamen Strategien, um die Auswirkungen von Klimaveränderungen auf Wild- und Kulturpflanzen abzumildern, die sich in den kommenden Jahrzehnten vermutlich verschlimmern werden.