Genetische Vielfalt führt zu trockentoleranter Gerste

Dr. Nese Sreenivasulu ist Pflanzenforscher am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben und Projektleiter von GABI-GRAIN.

Das Projekt GABI-GRAIN hat zum Ziel, Trockentoleranz bei Gerste zu erforschen und die Entwicklung entsprechender Gerstenlinien voran zu bringen. Im Gespräch mit Pflanzenforschung.de erklärt er, warum dies für die globale Landwirtschaft so wichtig ist. Eine Vorstellung des Projektes finden Sie hier.

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Pflanzenforschung.de: Wie kamen Sie auf die Idee, die Trockentoleranz von Gerste zu untersuchen?

Dr. Sreenivasulu: Trockenheit, die während der Samenfüllung auftritt, wird aufgrund des Klimawandels zunehmend auch in gemäßigten Regionen wie Mitteleuropa und ebenso in Teilen Deutschlands zu einem Problem. Als eines der wichtigsten Getreide in Europa vertrocknet Sommergerste häufig im Hochsommer während der essenziellen Phasen der Kornentwicklung und -füllung. Das führt zu erheblichen Ernteverlusten und beeinträchtigt die Kornqualität. Deshalb kamen wir auf die Idee, einen integrativen Genomansatz anzuwenden, um die Abläufe des terminalen Trockenstresses zu analysieren: Wir machten uns die genetische Vielfalt zu Nutze, die aus dem Nahen Osten und Mittelmeerregionen stammend in der Gaterslebener Genbank lagern, sowie Populationen aus Introgressionslinien und ausgewählte Zuchtlinien.

Pflanzenforschung.de: Trockentoleranz bei Pflanzen wurde schon früher erforscht. Was ist besonders an GABI-GRAIN?

Dr. Sreenivasulu: Viel Forschung wurde dem Trockenstress beim Keimling oder während der vegetativen Wachstumsphase gewidmet, wohingegen Trockenstress während der Kornfüllung wenig untersucht wurde – insbesondere nicht auf der molekularen und genomischen Ebene. Unser Projekt zielt darauf ab, die Lücke zu füllen zwischen Zuchtprogrammen und molekularphysiologischen Ansätzen. Wir adressieren die Mechanismen, die die Schlüsselkomponenten der Kornfüllung mit Bezug auf verbesserte Ernte und Kornqualität unter Trockenstress beeinflussen, indem wir umfangreiche genetische Ressourcen kombinieren und analysieren. Das ist einzigartig an GABI-GRAIN.

Pflanzenforschung.de: Was sind die Hauptziele des Projekts?

Dr. Sreenivasulu: Erstens wollen wir die bislang weitgehend ungenutzte genetischen Variabilität ausschöpfen, die Trockentoleranz verleiht – von Wildgerste in Introgressionslinien, von ausgewählten Genbankbeständen und von Hochleistungszuchtlinien. Damit wollen wir durch omics-Technologien genetische Netzwerke identifizieren, die landwirtschaftlich relevante Kornmerkmale unter Trockenstress steuern. Zweitens wollen wir für zukünftige molekulare Zuchtprogramme vorausgewählte Linien molekular charakterisieren. Drittens wollen wir die gewonnenen Erkenntnisse in Zuchtprogrammen nutzen, um Kreuzungen vorzunehmen, F1-Doppelhaploide zu erzeugen und deren Leistung unter Feldbedingungen zu testen. Außerdem wollen wir auf Grundlage des molekularen Wissens transgene Pflanzen mit verbessertem Ertrag unter Trockenstress erzeugen – zunächst als Konzeptbeweis. Das erwartete Resultat ist dann eine solide Wissensbasis über die Gene und Regelmechanismen, die eine effiziente Kornfüllung unter Kontroll- und Trockenstressbedingungen beeinflussen. Die wiederum führt zu Strategien, die uns helfen, wissensbasiert Zuchtverfahren zu erarbeiten für verbesserte Ernten unter Trockenheit mit minimierten Nebeneffekten auf Qualitätsparameter.

Pflanzenforschung.de: Sind Sie dabei auf unerwartete Schwierigkeiten gestoßen?

Dr. Sreenivasulu: Trockentoleranz ist ein komplexes Merkmal und es zu erzeugen ist ebenfalls komplex. Dennoch scheinen die im Projekt angewandten Strategien erfolgreich zu sein, um Trockentoleranz während der Kornfüllung zu erreichen. Unabhängig davon bleibt aber ein weiteres wichtiges Problemfeld bestehen, das in einem neuen Rahmen erforscht werden muss, um die Erblichkeit von Trockentoleranz in größerer Breite zu verstehen: die Trockentoleranz während der reproduktiven Entwicklung und der Samenbildung.

Pflanzenforschung.de: Teil von GABI-GRAIN ist die Entwicklung transgener Gerstenlinien, obwohl die deutsche Öffentlichkeit GVOs ablehnt. Ist die Marker-gestützte Züchtung, die ebenfalls Teil von GABI-GRAIN ist, nicht ausreichend?

Dr. Sreenivasulu: Das Ergebnis eines solchen integrativen genomischen Ansatzes ist es, Wissen zu erlangen über die terminale Trockentoleranz, indem akademische Partner wie das IPK Zuchtmaterial und Introgressionslinien untersuchen und das erworbene Wissen an Züchter weitergeben. Dazu zählt die Bestimmung von Markern zentraler physiologischer Merkmale für Screenings, die Markerentwicklung für regulatorische Schlüsselgene für verbesserten Samenertrag und -qualität und Trockenheit, sowie die Aufklärung der molekular-physiologischen Mechanismen. Solche gezielten Informationen wurden und werden effektiv genutzt bei der Entwicklung von Hochleistungszuchtlinien durch die beteiligten Saatzüchter wie die KWS-LOCHOW GmbH und die Nordsaat Saatzucht GmbH innerhalb des GABI-GRAIN-Projekts und darüber hinaus.

Diese erforschten Mechanismen lassen vermuten, dass die Feinregulation der Konzentration des Pflanzenhormons Abscisinsäure wichtig ist, um die Kornfüllung in sich entwickelnden Samen zu beschleunigen. Das führt zur optimalen Entwicklung des Kornertrags bei terminaler Trockenheit. Um diese abgeleitete Hypothese zu testen, sind GVO-basierte Validierungsansätze höchst wertvoll und liefern den Beleg des Konzepts. Deshalb haben wir bei GABI-GRAIN innerhalb des wissenschaftlichen Methodenspektrums auch gentechnische Ansätze berücksichtigt, um das gewonnene Wissen zu bestätigen. Ob die transgenen Linien zu transgenen Sorten weiter entwickelt werden können, hängt in hohem Maße von den politischen Rahmenbedingungen ab. Sie sind bislang in Europa nicht förderlich.

Pflanzenforschung.de: Wenn das Projekt im Jahr 2010 endet, werden wir dann sehen, wie aus GABI-GRAIN hervor gegangene Gerstenlinien kommerzialisiert werden?

Dr. Sreenivasulu: GABI-GRAIN konzentriert sich auf ein angewandtes Forschungsschema von allgemeiner und strategischer Bedeutung und wird deshalb als ein GABI-PRODUKTE-Vorschlag betrachtet. Dennoch deckt das Projekt zwei Bereiche ab: Zum einen eher grundlegende Forschung, die die genetischen Netzwerke aufschlüsselt, die Ertrag und Kornqualität bei Trockenstress während der Kornentwicklung beeinflussen. Zum anderen bringen wir dieses Wissen ohne GVO-Ansätze in Zuchtprogramme ein, um neue Pflanzenlinien bereitzustellen, die bessere Leistung unter Trockenstress während der Kornfüllung erbringen, und bestätigen die so gewonnenen Einblicke mit GVO-Ansätzen. Die entwickelten Zuchtlinien werden von den beteiligten Zuchtfirmen weiter unter Feldbedingungen erprobt werden, bevor sie in die kommerzielle Pipeline gelangen. 

Pflanzenforschung.de: Vielen Dank für das Gespräch!