„Schmal-Mais“ gesucht

Neu entdecktes Teosinte-Gen kann den Flächenertrag von Mais steigern

10.09.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

In der Vergangenheit führte die steigende Nachfrage für Mais zu einer stetig dichteren Bepflanzung der Felder. (Bildequelle: © Torsten Pretzsch/Pixabay/CC0)
In der Vergangenheit führte die steigende Nachfrage für Mais zu einer stetig dichteren Bepflanzung der Felder. (Bildequelle: © Torsten Pretzsch/Pixabay/CC0)

Wilde Verwandte unserer Kulturpflanzen besitzen nützliche Eigenschaften, die in den modernen Zuchtsorten durch Domestizierung verloren gegangen sind. Die Einkreuzung solcher artverwandten Merkmale wird seit Jahren genutzt, um Pflanzen beispielsweise widerstandfähiger zu machen. Nun haben neue Studien gezeigt dass ein Gen der Teosinte, der Wildform des Mais, auch die Blattstellung von Kulturmais optimieren und somit den Flächenertrag moderner Maissorten erhöhen kann.

Höhere Erträge durch dichte Bepflanzung

In der Vergangenheit führte die steigende Nachfrage für Mais zu einer stetig dichteren Bepflanzung der Felder. Innerhalb der letzten hundert Jahre stieg die Zahl der Maispflanzen pro Fläche um das Dreifache an. Aber je enger die Pflanzen angebaut werden, desto höher steigt auch die Konkurrenz um Licht, Wasser und Nährstoffe untereinander. Mit den heutigen Sorten ist daher eine weitere Verdichtung nicht mehr möglich.

Schmalere Pflanzen erhöhen den Ertrag pro Fläche

Die Lösung scheint so einfach wie banal: Die Pflanzen brauchen eine neue „Architektur“, sprich sie müssen schmaler werden. Ein chinesisches Forscherteam hat es daher auf die Veränderung der Blattachseln abgesehen: Je enger die Blattachseln ausgebildet sind, desto weniger stehen die Blätter von der Sprossachse ab.

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Die Blätter der Maispflanzen sind entscheidend: Je enger der Blattwinkel, desto weniger Platz nehmen die Pflanzen ein.

Die Blätter der Maispflanzen sind entscheidend: Je enger der Blattwinkel, desto weniger Platz nehmen die Pflanzen ein.

Quelle: © Pexels/Pixabay/CC0

Aber auch schmale Pflanzen können sich noch gegenseitig verschatten und so die Photosynthese vermindern. Die Forscher behielten daher auch die Beschaffenheit der Blätter selbst im Blick. Ihr Fazit: Besonders schmale Pflanzen mit stabilen aufrechten Blättern sind am besten geeignet, um den Flächenertrag weiter zu erhöhen.

Teosinte-Allel sorgt für schlankere Anatomie

Das Forscherteam untersuchte zunächst rekombinante Inzuchtlinien von Mais (Zea mays ssp. mays) und Teosinte (Zea mays ssp. parviglumis) und lokalisierte den Genomabschnitt, der für den Winkel und die Beschaffenheit der Blätter beider Pflanzen entscheidend ist. Der entscheidende Bereich, UPA2, unterscheidet sich bei einigen Teosinte-Linien mit „schmaler Architektur“ nur durch zwei zusätzliche Basenpaare vom Zuchtmais.

Dieser kleine aber feine Unterschied hat zur Folge, dass ein Transkriptionsfaktor besser in dieser Region binden kann und die Expression von nachgeschalteten Genen zeitweise unterdrückt. Letztlich wird so die Herstellung eines Pflanzenhormons aus der Gruppe der Brassinosteroide unterdrückt, das das Wachstum des Blatthäutchens am Blattgrund fördert. Teosinte-Blätter haben aus diesem Grund weniger ausgeprägte Blatthäutchen und Blattöhrchen. Der schmalere Ansatz an der Sprossachse führt zu einer aufrechteren Stellung und damit einem kleineren Winkel der Blätter.

Höhere Erträge durch Teosinte-Architektur

Den Genombereich UPA2 im Kulturmais haben die Forscher durch Kreuzung mit Teosinte und nachfolgenden Rückkreuzungsschritte der Teosinte-Sequenz angepasst. Die so veränderten Maislinien zeigten die erwünschte schmalere Anatomie mit aufrechten Blättern - und das ohne andere Eigenschaften der Pflanzen zu verändern. In Freilandversuchen konnten die Forscher dann auch zeigen, dass sich bei hoher Pflanzdichte von über 75.000 Pflanzen pro Hektar tatsächlich der Flächenertrag gegenüber der ursprünglichen Zuchtsorte erhöhen ließ.

Diese Arbeit macht die Auswirkungen kleiner genetischen Variationen auf die Pflanzenarchitektur deutlich, die dem Kulturmais im Verlauf seiner Domestikation vollständig verloren gegangen sind. Die in den Wildahnen noch vorhandene genetische Variation kann nun helfen, die Ernteerträge von Mais unter modernen Anbaubedingungen zu verbessern.

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