Pflanzen ans Urban Farming anpassen

Genomeditierung lässt Nachtschattengewächse kompakt wachsen und früh reifen

13.01.2020 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Länge des Internodiums bestimmt mit, wie kompakt eine Tomatenpflanze wächst. (Bildquelle: © Pitsch/Pixabay/CC0)
Die Länge des Internodiums bestimmt mit, wie kompakt eine Tomatenpflanze wächst. (Bildquelle: © Pitsch/Pixabay/CC0)

Mit der Methode der Genomeditierung haben Forscher kompakte Tomatenpflanzen erzeugt, die deutlich früher Erträge bringen – dadurch ideal sind für eine urbane Landwirtschaft. Der Ansatz dürfe auch auf andere Nahrungspflanzen übertragbar sein.

Die Landwirtschaft ringt mit ihrem Zielkonflikt zwischen nachhaltigeren, umwelt- und klimafreundlicheren Produktionsweisen und dem steigenden Bedarf an Nahrungs-, Energie- und Rohstoffpflanzen. Ein Teil der Lösung könnte die urbane Landwirtschaft sein: Sie verkürzt Transportwege, reduziert durch vertikalen Anbau den Flächenbedarf, benötigt keine fruchtbaren Böden und hat einen geringeren Bedarf an Wasser, Dünger und Pflanzenschutz. Bislang hat die Methode jedoch den Nachteil, oft teurer zu sein als der Anbau im Freiland.

Noch nicht die passenden Sorten

Das liegt auch daran, dass es nur wenige Nahrungspflanzen gibt, die für die Bedingungen des vertikalen Anbaus optimiert sind. Hochleistungssorten wurden dafür gezüchtet, unter Feldbedingungen maximale Erträge zu liefern. Sie benötigen einen relativ hohen Ressourceninput und haben viel Zeit bis zur Reife. Lediglich Kräuter, Salate und grüne Blattgemüse weisen von Natur aus Wachstumseigenschaften auf, die mit der urbanen Landwirtschaft gut harmonieren.

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Wenn drei spezifische genetische Mutationen kombiniert und genau aufeinander abgestimmt werden, können Tomatenpflanzen in äußerst kompakte Büsche verwandeln werden, die sich ideal für die städtische Landwirtschaft eignen. Nur zwei dieser Mutationen (links) verkürzen das Wachstum der normalerweise rebenartigen Pflanzen, aber alle drei (rechts) bewirken, dass sich ihre Früchte wie Trauben zusammenballen. Die Forscher schnitten die Blätter der Pflanze ab, um die Tomaten besser sichtbar zu machen.

Wenn drei spezifische genetische Mutationen kombiniert und genau aufeinander abgestimmt werden, können Tomatenpflanzen in äußerst kompakte Büsche verwandeln werden, die sich ideal für die städtische Landwirtschaft eignen. Nur zwei dieser Mutationen (links) verkürzen das Wachstum der normalerweise rebenartigen Pflanzen, aber alle drei (rechts) bewirken, dass sich ihre Früchte wie Trauben zusammenballen. Die Forscher schnitten die Blätter der Pflanze ab, um die Tomaten besser sichtbar zu machen.

Quelle: © Lippman lab/CSHL, 2019

Pflanzenforscher versuchen deshalb, neue Sorten zu entwickeln, die kompakter wachsen und schneller reifen als die üblichen Hochleistungssorten auf dem freien Feld. Das würde zu höheren Erträgen und einer gesteigerten Wirtschaftlichkeit von Stadt-Farmen führen.

Der Schlüssel: Eine veränderte Architektur

Mittels der Genomeditierungsmethode CRISPR/Cas9 ist genau das jetzt einem internationalen Forscherteam bei zwei Nachtschattengewächsen gelungen. Den Wissenschaftlern war schon bekannt, dass Mutationen zweier Gene, die das universelle Hormon Florigen regulieren, die Architektur der Pflanzen stark verändern: aus hochwachsenden Tomatenpflanzen werden kompakte Pflanzen. Die Mutation des Blüte-Repressor-Gens SELF PRUNING (SP) führt dabei zum determinierten Wachstum. Eine zusätzliche Mutation in dessen Paralog SP5G bewirkt eine beschleunigte Blüte und einen kompakten Wuchs. Für einen dichteren und damit ertragreicheren Anbau bei zugleich kürzeren Wachstumszyklen auf dem Feld ist das interessant – für urbane Landwirtschaftsmethoden müssten die Pflanzen jedoch noch kleiner werden.

Das Forscherteam fahndete daher noch nach weiteren Mutationen, die zu einer Verkürzung der Stängelabschnitte zwischen Blättern und Blüten – die Internodien – führen. Fündig wurden die Forscher in einem Abschnitt auf Chromosom 8 der Tomate, in dem sie drei Mutationen identifizierten, die Kleinwuchs auslösen. Dieser Abschnitt enthält ein Ortholog des Arabidopsis-Gens ERECTA (ER), das bekannt dafür ist, die Länge des Internodiums zu regulieren. Dieses Tomatengen erhielt den Namen SlER.

Anschließend erzeugten die Pflanzenforscher Doppel- und Triplemutanten, in denen die drei Gene in unterschiedlicher Kombination ausgeschaltet wurden. Als interessanteste Variante erwies sich die Dreifachmutante sp sp5g sler. Sie hat den kompaktesten Wuchs, eine frühe Blüte und die gleiche Anzahl Blütenstände und Blüten wie die Doppelmutante sp sp5g. Obwohl die Früchte kleiner waren, blieb das Verhältnis von Erntegewicht zu Pflanzengewicht gegenüber der Doppelmutante sp sp5g unverändert und übertraf sogar die Einzelmutante sg. Auch der Zuckergehalt verschlechterte sich nicht durch die zusätzliche sler-Mutation.

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Video: "These tomatos flourish in a storage unit" - So könnte ein Tomatenanbau in einer Vertical Farm aussehen. (Quelle: Cold Spring Harbor Laboratory/youtube.com)

Im Testanbau erfolgreich  

In einem besonders dicht gepflanzten Freilandanbau testeten die Forscher, wie sich die Doppel- und Triplemutanten in der Praxis bewähren. Alle produzierten in weniger als 40 Tagen die ersten reifen Früchte. Die Triplemutanten behielten dabei die geringste Wuchsgröße, erzeugten aber nicht weniger Ertrag. Besser noch: Es fielen auch noch am wenigsten Früchte vor der Ernte herunter. Ebenso erfolgreich verlief ein Testanbau der Triplemutante in einer hydroponischen vertikalen Farm.

Ist das auch mit anderen Pflanzen möglich?

Ob Mutationen des ER-Gens auch in anderen Pflanzen vergleichbare Einflüsse auf die Länge der Internodien haben, testeten die Forscher zusätzlich an Blasenkirschpflanzen (Physalis grisea) und deren orthologen Gen PgER. Die pger-Mutanten zeigten in der Tat stark verkürzte Internodien und kürzere Blütenstängel, was zu hohen Fruchtdichten an jedem Spross führte. Die Gesamtzahl der Früchte und deren Zuckergehalt entsprachen dem Wildtyp.

Wie bei den Tomaten waren allerdings auch hier die Früchte kleiner. Das, so die Überlegung der Forscher, könnte jedoch ausgeglichen werden durch Eingriffe in Gene, die die Fruchtgröße steuern – wie CLAVATA1.

Da diese Mutationszüchtungen mittels CRISPR/Cas9 verhältnismäßig einfach zu bewerkstelligen sind, sollte sich die Methode auf viele Hochleistungstomatensorten anwenden lassen, um verbesserte Sorten für die urbane Landwirtschaft zu erzeugen. Das haben die Forscher sowohl für eine Cocktail- als auch für eine Traubentomate bereits demonstrieren können. Neben Nachtschattengewächsen erwarten die Wissenschaftler ähnliche Mechanismen bei Gurken und Kiwis. Und sollten Züchter größere Früchte bevorzugen, so könne das erreicht werden, indem man nach schwächeren Allelen der ER-Mutation sucht.

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