Zuckerrübe: Auf der Suche nach der verlorenen Kältetoleranz

Wildformen der Rübe können kalte und lange Winter problemlos überstehen, aber die modernen Zuckerrübensorten haben diese Fähigkeit verloren. Durch die Kombination von genetischen, biochemischen und biotechnologischen Ansätzen soll der Zuckerrübe diese Fähigkeit zurückgegeben werden. So könnte die zweijährige Pflanze auch wieder als solche angebaut werden – denn derzeit werden Zuckerrüben bereits im ersten Jahr wieder geerntet.  

Beim Projekt „Betahiemis“ dreht sich alles um die Zuckerrübe (Beta vulgaris). Der Projektname leitet sich dabei von zwei lateinischen Begriffen ab: Dem Gattungsbegriff der Rüben „Beta“ und dem Wort für Winter „hiemis“. Der Name zeigt bereits, wo die Reise hin geht: Die Zuckerrübe soll winterhart werden. Aber warum?

Die Zuckerrübe ist im botanischen Sinne eine zweijährige Pflanze. Allerdings verhindert ihre Kälteempfindlichkeit derzeit einen zweijährigen Anbau. Dafür müsste man sie bereits im Herbst aussähen und überwintern lassen. Im Frühjahr wächst sie dann weiter, vorausgesetzt sie konnte den Winter überstehen. Bei langen und harten Frösten ist das aber schwierig.

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Daher wird die Zuckerrübe wie eine einjährige Pflanze angebaut und nach Aussaat im Frühjahr (März/April) im darauffolgenden Herbst bereits geerntet. Das Team um Koordinator Prof. Dr. Ekkehard Neuhaus von der Technischen Universität Kaiserslautern will das nun ändern und hat sich das langfristige Ziel gesetzt, kältetolerante Zuckerrüben zu entwickeln.

„Interessanterweise sind Wildrüben zwar klein und haben wenig Zucker, aber sie sind in der Lage, auch kalte Winter zu überdauern. Im Rahmen der Züchtungserfolge ist diese Eigenschaft verloren gegangen. Und da wollen wir ansetzen, damit sie diese Eigenschaft wiederbekommt!“, erklärt Neuhaus. „Könnte man das Problem der Kälteempfindlichkeit lösen, könnten wir große Ertragsgewinne erzielen“, fasst er zusammen. Denn wenn die Pflanzen länger wachsen, bilden sie auch mehr Biomasse und demnach auch mehr Zucker aus.

„Betahiemis“ ist ein Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Förderprogramm „Pflanzenzüchtungsforschung für die Bioökonomie“ finanziert wird. Es ist zunächst für einen Zeitraum von 2016 bis 2019 bewilligt, könnte aber bei vielversprechenden Ergebnissen insgesamt bis zu neun Jahren gefördert werden.

Die Projektpartner und Ziele

• Technische Universität Kaiserslautern: Prof. Dr. Ekkehard Neuhaus
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg: Prof. Dr. Uwe Sonnewald
• Julius-Maximilians-Universität Würzburg: Prof. Dr. Rainer Hedrich
• KWS SAAT SE: Dr. Wolfgang Koch
• Südzucker AG: Dr. Karsten Harms

In der ersten Projektphase will man zunächst mehr über die physiologischen und genetischen Reaktionen auf Kälte innerhalb der Zuckerrübenpflanze erfahren – sowohl im Spross, als auch im Rübenkörper. Anschließend sollen aus diesen Informationen Schlüsselregulatoren der Kältetoleranz, d. h. geeignete Kandidatengene und –metaboliten, identifiziert werden. Davon werden schließlich diejenigen Kandidaten selektiert, die für die Züchtung von kältetoleranten Pflanzen geeignet sind.

Das Vorgehen

Im ersten Schritt werden die Rüben unter moderaten Temperaturen kultiviert und anschließend künstlich in eine Kältephase überführt. Diese „Wintersimulation“ geschieht beim Industriepartner KWS in großen Kühlkammern.

Analyse der Kälte-Reaktionen der Pflanze

Anschließend analysiert das Projektteam die Pflanzen auf genetischer und metabolischer Ebene:

(1) Gene werden gesucht, die als Reaktion auf Kälte hoch- oder runterreguliert werden und
(2) Stoffwechselzwischenprodukte (Metaboliten) sollen identifiziert werden, deren Konzentration in den Zellen sich durch die Kältebehandlung verändert.

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Dabei werden auch die einzelnen Stoffwechselflüsse innerhalb der Pflanze genauer untersucht. Auf biochemischer Ebene werden im Projekt speziell Transportproteine unter die Lupe genommen. Besonders interessieren sich die Forscher für Proteine, die während des Transportes ein Membranpotenzial aufbauen – zum Beispiel bei einem Cotransport von Zucker und Protonen. Solche elektrischen Spannungen kann die Pflanze für die innerpflanzliche Kommunikation nutzen. Mit Elektrophysiologie will das Team diese Signale und ihre Rolle bei der Kälteanpassung näher untersuchen.

Vor allem die Unterschiede in der Reaktion der verschiedenen Gewebetypen innerhalb der Pflanze sind dabei ein besonderes Augenmerk.

Kandidatengene finden und besser verstehen

Anschließend werden Schlüsselregulatoren der Kältetoleranz gesucht und charakterisiert. Über grün fluoreszierende Proteine, kann man deren Standort in der Zelle genau lokalisieren. Hier fließen auch Ergebnisse aus vorangegangenen Projekten ein, in denen bereits einige Gene und Proteine als vielversprechende Kandidaten für die Verstärkung der Kältetoleranz identifiziert wurden.

Um die Funktion ausgewählter Enzyme und Transportprozesse genauer verstehen zu können, werden die dafür verantwortlichen Gene in transgenen Zuckerrübenpflanzen in ihrer Aktivität experimentell beeinflusst. Durch gezielte Mutationen oder Antisense-Verfahren werden diese modifiziert und die Pflanzen daraufhin genau analysiert. Hier setzt man vor allem auf das sehr präzise Genome Editing-Verfahren CRISPR/Cas oder alternativ auf das vergleichsweise sehr aufwändige TILLING-Verfahren.

Die Ergebnisse

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In der ersten Projektphase konnten metabolische und genregulatorische Veränderungen in der Zuckerrübe während der Kälteanpassung bereits umfassend charakterisiert werden.

Neue Kandidatengene wurden identifiziert, die bisher nicht einmal bei untersuchten Modellpflanzen bekannt waren oder als potenzielle Kandidaten vorhergesagt wurden.

Das Team hat dabei eine Reihe von Metaboliten identifiziert, die aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften möglicherweise eine entscheidende Rolle bei der Kälteanpassung spielen. Darüber hinaus wurden sehr auffällige Veränderungen im Stoffwechselfluss zwischen Spross und dem Rübenkörper während der Kälteanpassung festgestellt, die bei der innerpflanzlichen Kommunikation eines Kältereizes eine Rolle spielen könnten.

Die bei diesen Experimenten notwendigen genetischen Modifikationen der Zuckerrübe sind deutlich aufwändiger als beispielsweise bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Für die weitere Erforschung von Kandidatengenen wurden in der ersten Förderperiode aber bereits solide Grundlagen gelegt: Erste Gen-Konstrukte liegen vor, um damit die gewünschten modifizierten Zuckerrüben für die weiteren Untersuchungen herzustellen.