Mais fürs nächste Jahrhundert

Über tausend Gene helfen Mais bei der Anpassung an Umweltbedingungen

22.03.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Mais hat eine sehr große genetische Diversität. Unterschiede gibt es aber nicht nur im Aussehen, sondern auch bei Geschmack, Krankheitsresistenz und anderen Eigenschaften. (Bildquelle: © georilla/pixabay, CC0)
Mais hat eine sehr große genetische Diversität. Unterschiede gibt es aber nicht nur im Aussehen, sondern auch bei Geschmack, Krankheitsresistenz und anderen Eigenschaften. (Bildquelle: © georilla/pixabay, CC0)

Seit etwa 10.000 Jahren züchten die Menschen Mais. Doch trotzdem schlummert in seinem Erbgut noch viel ungenutztes Potenzial. Forschende in aller Welt wollen das ändern. Aktuell hat ein internationales Wissenschaftlerteam jetzt über 1.000 Gene identifiziert, die wichtig für die Anpassung an Umweltbedingungen sind. Diese Informationen werden Züchtern helfen, schneller zu neuen Sorten zu gelangen.

Es vergeht in vielen Teilen Süd- und Mittelamerikas kaum eine Mahlzeit, bei der nicht Mais auf den Tisch kommt. Maismehl ist die Grundzutat für Tortillas, Maisgrieß wird zu Polenta oder Suppen verarbeitet, Maiskolben dienen als Snack für Zwischendurch. Aber auch in anderen Regionen der Welt erobert Mais mehr und mehr die Teller und Mägen.

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Mais ist an ganz unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst. Er wächst auch in großer Höhenlage wie hier am Rande des Colca-Canyons in Peru.

Mais ist an ganz unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst. Er wächst auch in großer Höhenlage wie hier am Rande des Colca-Canyons in Peru.

Quelle: ©jkraft5/Fotolia.com

Allein diese Verbreitung im Anbau macht klar - Mais ist nicht gleich Mais. Die Pflanze wächst in ganz unterschiedlichen Klimazonen und Höhenlagen. Die Farbe ihrer Körner schwankt von weißgelb bis lilaschwarz. Und manche Sorten haben Schädlingen mehr entgegenzusetzen als anderen.  

Landrassen bergen spannende Gene  

Besonders große Vielfalt findet sich aber nicht in den Zuchtlinien, die auf den unendlich weiten Feldern in Nordamerika oder Europa wachsen. Wer wirklich spannende Gene im Maisgenom entdecken möchte, der muss dort suchen, wo der Mais ursprünglich herkommt: nach Mittel- und Südamerika. In den ursprünglichen Landrassen findet sich noch unangetastetes genetisches Potenzial.

Wissenschaftler aus den USA und Mexiko haben deshalb knapp 4.500 Landrassen analysiert. „Unsere Studie liefert einen umfassenden Katalog der Gene, mit deren Hilfe Mais sich an unterschiedliche Breitengrade und Höhenlagen anpasst“, sagt Edward Buckler vom Institut für genomische Diversität der Cornell Universität. Die Ergebnisse wurden vor kurzem im Fachmagazin „Nature Genetics“ veröffentlicht.  

Insgesamt fanden die Wissenschaftler mehr als 1.000 Gene, die einen wesentlichen Einfluss darauf haben, in welcher Höhe und auf welchem Breitengrad der Mais sich wohlfühlt. Dieses Wissen könnte die Züchtung neuer Maissorten extrem beschleunigen. „Wir nutzen das Wissen, das Landwirte in den letzten 10.000 Jahren angehäuft haben, um damit den Mais für das nächste Jahrhundert zu entwickeln“, so Buckler.  

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In vielen Regionen Süd- und Mittelamerikas ist Mais ein Grundnahrungsmittel. Als Snack am Straßenrand werden die Körner direkt vom Kolben geknabbert. Viel wichtiger ist aber Maismehl, die Hauptzutat für Tortillas.

In vielen Regionen Süd- und Mittelamerikas ist Mais ein Grundnahrungsmittel. Als Snack am Straßenrand werden die Körner direkt vom Kolben geknabbert. Viel wichtiger ist aber Maismehl, die Hauptzutat für Tortillas.

Quelle: © Kseniya Ragozina/Fotolia.com

Das Projekt war eine wahre Mammutaufgabe. In über 35 Ländern in Mittel- und Südamerika sammelten die Wissenschaftler Maissamen von fast 4.500 verschiedenen Landrassen ein. Dann prüften sie die Eigenschaften der einzelnen Akzessionen in Feldversuchen an 13 verschiedenen Orten in Mexiko.  

Hunderte Gene regulieren die Blütezeit  

Die Forscher interessierten sich auch für die Gene, die den Blütezeitpunkt beeinflussen. Die Blütezeit ist die Eigenschaft, die am meisten mit allen anderen Eigenschaften verknüpft ist. 61,4 Prozent der SNPs, die dem Mais bei der Anpassung an Höhenlagen helfen, beeinflussen auch die Blütezeit. Die Überlappung von SNPs für Blütezeit und Breitengrad lag immerhin noch bei 19 Prozent.

Wann eine Pflanze zu blühen beginnt, leitet sie aus unterschiedlichen Umweltsignalen ab. Eine wichtige Einflussgröße ist zum Beispiel die Tageslänge. Soll Mais an einem anderen Standort wachsen, an dem die Tage länger oder kürzer sind als in seiner Heimat, ist es daher wichtig, die Blütezeit züchterisch zu beeinflussen.  

Das könnte auch infolge des Klimawandels immer wichtiger werden. Schon heute sind die Auswirkungen spürbar. Wetterextreme verhageln vielen Landwirten im wahrsten Sinne des Wortes das Geschäft. Anderen vertrocknet das Saatgut in der staubigen Erde. Bisher ungenutzte Flächen in nördlichen Gegenden Kanadas oder Russlands hingegen könnten sich bei wärmeren Temperaturen für den Anbau von Ackerpflanzen eignen. Doch es ist nicht damit getan, eine Maispflanze aus Mexiko einfach nach Norden zu verfrachten. Wenn die Maispflanze nicht an die Tageslängen ihres neuen Wohnortes gewöhnt ist, wird sie nicht die gewünschten Erträge liefern. (Siehe hierzu auch unseren Podcast zum Jetlag bei Pflanzen im Plant Science Café.)

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Wenn die Pflanze beginnt, Blüten auszubilden, beendet sie ihr Wachstum. Der Blütezeitpunkt beeinflusst also, wie groß eine Maispflanze wird und ob sie Kolben hervorbringt. Wenn man Mais als Energiepflanze für Biogasanlagen optimieren möchte, versucht man, den Blütezeitpunkt möglichst lange hinauszuzögern. Die Pflanzen wachsen dann immer weiter und produzieren mehr Biomasse.  

Auch Deutschland erforscht Biodiversität  

Auch in Deutschland gibt es mehrere Projekte, die sich damit befassen, die genetische Diversität von Landrassen zu erfassen. Das Projekt MAZE beschäftigt sich ebenfalls damit, die genomische Biodiversität von Mais-Landrassen züchterisch zugänglich zu machen. Koordiniert wird Maze von Chris-Carolin Schön, Leiterin des Lehrstuhls für Pflanzenzüchtung an der TU München.    

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Auch die PLANT 2030-Projekte

Auch die PLANT 2030-Projekte "MAZE" und "GeneBank 2.0" haben sich zum Ziel gesetzt, die genetische Diversität zu erfassen und für die Züchtung nutzbar zu machen.

Bei GeneBank 2.0 dreht sich alles um eine andere Weltgetreidepflanze, den Weizen. Das IPK Gatersleben, das über eine der größten Weizensammlung verfügt, möchte diese für die Züchtung erschließen. Jochen Christoph Reif leitet das Projekt, in dem genetische Fingerabdrücke von etwa 22.000 Akzessionen erstellt werden. Darin suchen die Wissenschaftler mit unterschiedlichen bioinformatischen Methoden nach Genen, die Krankheitsresistenzen vermitteln, eine gute Stickstoffnutzungs-Effizienz bewirken oder den Kornertrag beeinflussen. Außerdem richtet sich ihr Augenmerk auf solche Gene, die für eine offene Blüte verantwortlich sind. Diese Eigenschaft ist wichtig für die Züchtung von Hybridweizen.  

Auch in diesen Projekten müssen Labordaten mit denen vom Feld an unterschiedlichen Orten kombiniert werden, was die Arbeiten zeitaufwendig und natürlich teuer macht. Aber es geht dabei um unsere Zukunft und unsere Nahrungsgrundlage von morgen.

Obwohl der Mensch seit etwa 10.000 Jahren Pflanzen züchterisch nach seinen Wünschen formt, schlummern in den Genomen noch viele unentdeckte Gene. Konzertierte Aktionen helfen, diese natürlichen Ressourcen den Züchtern zugänglich zu machen.

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