Unten länger und oben dicker

Um ertragreichere Reispflanzen zu entwickeln, züchteten Forscher eine Sorte, die ihre Wurzeln tiefer und senkrechter in die Erde wachsen lassen kann. So gelingt es den Pflanzen in tieferen Bodenschichten nach Wasser zu suchen, aber auch Nährstoffen zu gewinnen. Dies führte in Experimenten zu höheren Erträgen bei Trockenheit. Eine weitere Studie zielt auf die direkte Beeinflussung der Körner- und Rispengröße ab: Dazu erhöhten die Forscher gezielt die Aktivität einer bestimmten kurzen RNA-Sequenz und konnten erstmals zeigen, dass eine microRNA zu dickeren Reiskörnern und höheren Erträgen führt.

Reis ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel. Mit Reis ernährt sich die Hälfte der Weltbevölkerung. Angesichts klimatischer Veränderungen und einem immer größeren Nahrungsbedarf ist es ein Ziel der Pflanzenforschung, ertragreichere Reispflanzen zu entwickeln, die gleichzeitig widerstandsfähiger sind gegen äußere Einflüsse.

Reis muss toleranter werden gegenüber Trockenheit  

So ist Reis besonders anfällig für Trockenstress. Im Vergleich zu anderen Getreidearten haben Reispflanzen eher flache Wurzeln. Dürren machen ihnen leichter zu schaffen, da sie nicht an Wasser gelangen, das in tieferen Bodenschichten zu finden ist. Aber es gibt auch Ausnahmen. So ist die philippinische Reissorte Kinandang Patong (KP) durch tiefere, senkrecht nach unten wachsende Wurzeln besser an Trockenheit angepasst. Die Reissorte IR64 hingegen wird im Hochland Asiens angebaut und hat flache, seitlich wachsende Wurzeln.

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Das entscheidende Gen

Bereits 2011 kreuzten japanische Wissenschaftler diese beiden Sorten und betrachteten die genetischen Grundlagen der senkrecht nach unten wachsenden Wurzeln: In der KP-Sorte ist ein Abschnitt im Erbgut (auch Quantitative Trait Locus  genannt; kurz: QTL) für dieses Wachstumsverhalten verantwortlich, den sie „DEEPER ROOTING 1“ (kurz: DRO1) nannten (Uga et al., 2011).

Bei der genaueren Analyse dieses QTL konnten die Forscher (Uga et al. 2013) ein für diese Merkmalsausprägung verantwortliches Gen identifizieren. Dieses nannten sie ebenfalls DRO1. Nicht nur die KP-Sorte, sondern auch die IR64 Reissorte besitzt das DRO1 Gen. Allerdings verhindert eine Punktmutation im IR64-Gen, welche ein Stop-Codon kodiert, dass dieses die phänotypischen Eigenschaften der KP-Sorte aufweist - sprich tiefere, senkrecht wachsende Wurzeln ausbildet. Die Wissenschaftler züchteten durch eine Kreuzung  eine IR64-Sorte mit dem DRO1 Gen der KP-Sorte. Die Wurzeln der neuen IR64-Sorte reichten nun fast doppelt so tief ins Erdreich, verglichen mit den gewöhnlichen IR64-Reispflanzen.  

Die Forscher entdeckten zudem, dass DRO1 hauptsächlich den Winkel beeinflusst, der die Wurzeln senkrecht nach unten wachsen lässt. Es wird darüber hinaus auch von dem Wachstumshormon Auxin reguliert. Die Expression des DRO1 Gens wird von Auxin gehemmt, d.h. dass Auxin die Bildung von DRO1-Proteinen verhindert. Dies spricht ebenfalls dafür, dass DRO1 tatsächlich das gesuchte Gen ist, denn Auxine regulieren auch das Wachstumsverhalten von Pflanzen im Bezug auf die Schwerkraft (auch Gravitropismus genannt). Die Wurzeln wachsen durch das Gen senkrecht nach unten, also mit der Schwerkraft. 

Effekte bei Trockenheit

Um zu testen, ob die tiefer wachsenden Wurzeln einen Vorteil bei Dürren bringen, führten die Forscher mit der neuen Reissorte ein Experiment durch. Sie untersuchten drei unterschiedliche Bedingungen und verglichen den Ertrag der Pflanzen mit einer IR64-Kontrollsorte: ohne Dürre, mit einer leichten und mit einer schweren Dürre. Die neue Sorte unterschied sich bei einer ausreichenden Wasserversorgung nicht von der herkömmlichen. Allerdings zeigte sich bereits bei einer leichten Dürre ein Unterschied: Die neue Sorte hatte fast keine Ertragseinbußen, wohingegen die herkömmliche Sorte rund 42 Prozent weniger Ertrag abwarfen. Deutlich wurde der Vorteil der tieferen Wurzeln bei der schweren Dürre, bei der die herkömmliche Sorte eigentlich keinen Ertrag mehr gab, die neue Züchtung hingegen lediglich 30 Prozent weniger lieferte.

Ungünstigen Umweltbedingungen trotzen

In weiteren Versuchen aktivierten die Wissenschaftler DRO1 in transgenen Pflanzen noch stärker und stellten fest, dass die Wurzeln noch tiefer wuchsen. Die gezielte Beeinflussung des Wurzelwachstums ist ein wichtiger Ansatzpunkt, um die Erträge von Nutzpflanzen auch unter ungünstigen Umweltbedingungen zu sichern und Nährstoffvorkommen im Boden oder durch Düngung effizienter zu nutzen. Die neue Sorte könnte sogar ohne zusätzliche Bewässerung im Hochland angebaut werden. Da Wasser ein knappes Gut ist und eine ausreichende Wasserversorgung durch den Klimawandel künftig noch schwieriger werden könnte, ist es ein Anliegen der Forschung trockentolerante Pflanzen zu entwickeln. Vor allem ein Grundnahrungsmittel wie Reis, steht dabei im Fokus. Die Wissenschaftler der vorliegenden Studie gehen aber davon aus, dass ihre Forschungsergebnisse nicht nur für Reis angewendet werden können. Denn auch andere wichtige einkeimblättrige Kulturpflanzen wie der Mais besitzen nahezu identische (homologe) DRO1 Gene, so die Forscher.

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Dickere Körner und größere Rispen

Eine weitere kürzlich veröffentlichte Studie wählte einen anderen Weg, den der direkten Ertragssteigerung. Ein Forscherteam entdeckte, dass eine ganz bestimmte microRNA (miRNA) mit dem Namen „OsmiR397“ die Erträge von Reis signifikant anheben kann und zwar über größere  Samen und eine gleichzeitige Erhöhung der Samenzahl pro Reispflanze (Zhang et al., 2013).

Um die Wirkung von OsmiR397 zu untersuchen, führten die Wissenschaftler Freilandversuch mit einer transgenen Reislinie durch. Bei dieser, im Gegensatz zur obigen Wurzelstudie, in diesem Fall gentechnisch veränderten Reislinie war die miRNA in der gesamten Pflanze aktiv und nicht wie ursprünglich nur in den Samen. Durch die erhöhte Aktivität der miRNA, ernteten die Forscher von dieser speziellen Reislinie bis zu 25 Prozent mehr Reis, als von der Kontrollgruppe. Dabei waren nicht nur die Reiskörner größer und schwerer, es gab auch mehr und größere Rispen, in denen sich die Körner befinden. Die Experimente zeigten also, dass eine gezielte Verstärkung der Aktivität der miRNA OsmiR397 in der gesamten Pflanze zu höheren Erträgen beim Reis führte.

Die Forscher gehen davon aus, dass sie mit dieser Studie erstmals nachweisen konnten, dass miRNAs sich positiv auf die Größe der Samen und auf den Ertrag von Pflanzen auswirken können. MicroRNAs sind kurze RNA Sequenzen, die die Aktivität von Genen regulieren und diese blockieren können. Im Fall von OsmiR397 blockiert die miRNA im Reis das Gen OsLAC, welches dadurch auf  Pflanzenhormone aus der Gruppe der Brassinosteroide anders reagiert. Brassinosteroide regulieren wie Auxine das Wachstum von Pflanzen. Ein Ausschalten des OsLAC Gens wirkte sich im Experiment positiv auf den Ertrag der Reispflanzen aus. Da miR397 bereits in anderen Pflanzen wie der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) entdeckt wurde, gehen die Forscher davon aus, dass eine Manipulation der miRNa auch in anderen Pflanzen zu höheren Erträgen führen und ihre Forschungsergebnisse auch auf andere Pflanzen übertragen werden könnten.

Die beiden Studien hatten unterschiedlichste Vorgehensweisen, aber beide zeigten das Potential auf, welches im Erbgut unserer wichtigsten Kulturpflanzen noch schlummert.