Ertragsstabilität trotz Dürre und Hitze

Eigentlich erfüllt die Ackerbohne viele Wünsche von Landwirt:innen. Sie bindet Stickstoff im Boden, unterdrückt Unkrautwachstum und liefert Bestäubern wie Bienen und Hummeln reichlich Nahrung.

Dennoch wird sie hierzulande bislang fast nur als Futtermittel genutzt. Dabei sind ihre Samen auch für Menschen eine wertvolle Eiweißquelle – mit allen neun essenziellen Aminosäuren. Besonders hoch ist der Gehalt an Lysin, das in Getreide nur in geringeren Mengen vorkommt.

Trotz dieser Pluspunkte sind Ackerbohnen bisher nur auf wenigen Feldern zu finden. Im Jahr 2025 wuchsen die Pflanzen in Deutschland auf gerade einmal 66.000 Hektar. Der Grund dafür: Der Anbau der Pflanze ist mit großen Risiken verbunden. „Die Ertragsstabilität bei der Ackerbohne war immer schon ein riesiges Problem, das jetzt durch den Klimawandel noch verschärft wird“, sagt Sarah Schießl-Weidenweber, die an der Justus-Liebig-Universität Gießen die Professur für Genetik der Nutzpflanzendiversität innehat.

„Die Erträge schwanken zwischen zehn und 70 Dezitonnen pro Hektar. Man weiß schlicht nicht, ob sich der Anbau lohnt.“ Besonders kritisch sind Frühjahre, in denen Hitze und Trockenheit zusammenfallen – ein Szenario, das künftig häufiger droht.

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

#####1#####

Das FABALOUS-Team untersucht, welche molekularen Prozesse bei kombinierten Stresssituationen ablaufen. „Wir wollen verstehen, was einige Pflanzen auszeichnet, die eine gute Stresstoleranz haben“, erklärt Schießl-Weidenweber. Dafür bauen sie 24 Zuchtlinien an, die ihnen die Firma NPZ Innovation GmbH zur Verfügung gestellt hat. Zusätzlich werden auch noch 200 diverse Linien aus der Genbank des IPK Gatersleben untersucht.

Die Genome der 24 Zuchtlinien sind bereits sequenziert und werden derzeit assembliert – das heißt, die vielen kurzen DNA-Abschnitte werden zu vollständigen Genomsequenzen zusammengesetzt. Auch von den 200 weiteren Linien sollen ausgewählte Vertreter sequenziert werden. Ergänzend erheben die Forschenden metabolomische und epigenomische Daten (Details dazu weiter unten).

„Das Besondere an FABALOUS ist, dass wir uns nicht nur auf die Genotypen einigen konnten, sondern auch gemeinsame Protokolle entwickelt haben“, sagt Schießl-Weidenweber. „So ist es uns gelungen, ein einheitliches Schema aufzusetzen und die Datensätze außergewöhnlich gut miteinander zu verzahnen. Unser Konsortium ist hochmotiviert, und die Bereitschaft zur Zusammenarbeit ist enorm – genau das macht die große Stärke von FABALOUS aus.“

Wissenschaftliche Partner:

• Justus-Liebig-Universität Gießen: Frau Prof. Dr. Sarah Schießl-Weidenweber, Frau Prof. Dr. Agnieszka Golicz, Frau Dr. Sruthy Augustine, Herr Dr. Linbo Wu
• Justus-Liebig-Universität Gießen: Herr Prof. Dr. Patrick Schäfer, Herr Prof. Dr. John Clifton-Brown
• Justus-Liebig-Universität Gießen: Herr Prof. Dr. Jakob Santner, Frau Dr. Susanne Baldermann
• Georg-August-Universität Göttingen: Frau Dr. Lisa Brünjes
• Universität Bayreuth – Campus Kulmbach: Frau Dr. Corina Vlot-Schuster
• Forschungszentrum Jülich GmbH: Herr Prof. Dr. Björn Usadel, Herr Dr. Onno Muller
• Julius-Kühn-Institut: Herr Prof. Dr. Andreas Stahl
• Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK): Herr Dr. Martin Mascher, Herr Prof. Dr. Nils Stein

Industriepartner:

• NPZ Innovation GmbH: Frau Hanna Tietgen

Das experimentelle Vorgehen

Wasser ausgeben oder sparen?

#####2#####

Um besser zu verstehen, wie Ackerbohnen bei Trockenstress mit Wasser umgehen, nutzt das FABALOUS-Team sogenannte DroughtSpotter. Dabei handelt es sich um Container mit jeweils fünf Pflanzen, die auf Waagen stehen und deren Gewicht alle fünf Minuten automatisch erfasst wird. „Aus diesen präzisen Messreihen können wir ableiten, wie effizient die Pflanzen Wasser nutzen“, erklärt Schießl-Weidenweber.

Denn Pflanzen verfolgen ganz unterschiedliche Strategien im Umgang mit Dürre. Die sogenannten Water Saver – auf Deutsch Wasser-Sparer – verhalten sich wie Optimisten: Sie setzen darauf, dass es bald wieder regnet, schließen ihre Spaltöffnungen, drosseln den Stoffwechsel und warten ab. Die Water Spender – also Wasser-Verbraucher – hingegen sind eher Pessimisten. Sie rechnen mit längerer Trockenheit, lassen ihre Spaltöffnungen offen und investieren Energie ins Wurzelwachstum, um tiefer liegende Wasservorräte zu erschließen.

Weil Hitze- und Trockenstress sowohl während der Wachstumsphase als auch in der Blüte auftreten können, untersuchen die Forschenden beide Stadien. Darüber hinaus analysiert das Team, welche molekularen Schutzmechanismen die Pflanzen einsetzen. Manche produzieren verstärkt osmotisch wirksame Substanzen, um Wasser aufzunehmen. Andere können hitzebedingt denaturierte Proteine besonders gut reparieren. Wieder andere verfügen über stabilere Zellmembranen, die nicht so leicht Schaden nehmen. „Es wird spannend sein zu sehen, welche Pflanzen tatsächlich über eine dauerhafte Anpassung an Hitzestress verfügen“, sagt Schießl-Weidenweber.

Gute und schlechte Mikroben

Zusätzlich untersucht das Team, wie die Ackerbohnen mit Mikroben interagieren. „Neben den schädlichen Pathogenen gibt es auch Mikroorganismen, von denen bekannt ist, dass sie die Stresstoleranz von Pflanzen erhöhen“, erklärt Schießl-Weidenweber.

In einem weiteren Experiment wird erfasst, wie sich steigende CO₂-Konzentrationen in der Luft auswirken. Anschließend analysieren die Forschenden die Transkriptome und Metabolome der Pflanzen, also welche Gene gerade aktiv sind und welche Stoffwechselprodukte entstehen.

Auch epigenetische Daten werden erfasst – etwa die Zugänglichkeit des Chromatins oder Methylierungen an der DNA. „Wir lassen wirklich keine Ebene der Genregulation aus. Wenn es etwas gibt, dann müssen wir es finden“, betont Schießl-Weidenweber. Danach prüfen die Forschenden, ob das Expressionsniveau der RNA mit der epigenetischen Landschaft zusammenhängt. Ziel ist es, molekulare Marker für Stresstoleranz im Genom zu identifizieren, die sich für die Präzisionszüchtung nutzen lassen. Auch bestimmte Metabolite könnten sich als solche Marker eignen.

Markeranalyse

#####3#####

In einem weiteren Experiment sollen Marker rein assoziativ identifiziert werden. Dafür wird derzeit eine multiparentale Kreuzungspopulation aufgebaut: 119 verschiedene Elternlinien werden über mehrere Generationen hinweg miteinander gekreuzt. Die NPZ Innovation GmbH baut diese Population an mehreren Standorten an und erfasst die Daten mithilfe eines sogenannten SNP-Chips. Ein solcher Chip kann in einer Probe Millionen von SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms, also kleinste Unterschiede im Erbgut) gleichzeitig erkennen. „Wir hoffen, dass wir auf diese Weise Marker für die Feldperformance finden“, erklärt Schießl-Weidenweber. Diese Marker werden anschließend mit denen aus den molekularen Analysen abgeglichen.

Hitzestress im Feld

Zuletzt untersucht das Fabalous-Team auch, wie sich Hitzestress im Feld auf zentrale Ökosystemleistungen auswirkt – also auf natürliche Funktionen, die für Umwelt und Landwirtschaft wichtig sind, etwa die Stickstofffixierung oder das Vorkommen von Bestäubern. Dabei half ein glücklicher Zufall: In Bad Nauheim nahe Gießen betreiben die Stadtwerke ein oberflächennahes Geothermie-Kraftwerk, das im Winter Häuser mit Wärme versorgt und im Sommer kühlt. Die dafür eingesetzten Wärmetauscher liegen nur rund anderthalb Meter tief im Boden und geben im Sommer überschüssige Wärme an den Acker ab.

„Professor Clifton-Brown von der Justus-Liebig-Universität Gießen hatte zufällig einen guten Kontakt zu den Stadtwerken, und so konnten wir dort unser Versuchsfeld einrichten“, berichtet Schießl-Weidenweber. „Ein solches Hitzestress-Experiment hat bisher noch niemand durchgeführt – aber wir probieren es jetzt einfach aus.“

Mit speziellen Messgeräten erfassen die Forschenden die Lachgasemissionen. Die Erhebung der Bestäuber hingegen erfolgt klassisch per Handarbeit: Expertinnen und Experten der Universität Göttingen gehen die durch Geothermie erwärmten Felder ebenso wie unbehandelte Kontrollflächen ab und zählen und bestimmen die dort vorkommenden Bestäuber.

Ausblick

„Wir wollen Merkmale identifizieren, die eine gute kombinierte Stresstoleranz anzeigen – das können sichtbare Eigenschaften sein oder, noch besser, genetische Marker“, erklärt Schießl-Weidenweber. Beides würde Züchter:innen in Zukunft ermöglichen, in Kreuzungspopulationen gezielter und schneller nach Pflanzen mit erhöhter Stresstoleranz zu suchen. Außerdem soll die genetische Basis erweitert werden, die für zukünftige Kreuzungen zur Verfügung steht.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Mit Bohnen und Klee die Welt retten? – Die Renaissance des Mischanbaus
• Bestäuberduell auf der Ackerbohne – Gartenhummel besser als Honigbiene
• Kleine Bohne, großes Genom – Genom-Assemblierung der Ackerbohne eröffnet neue Zuchtpotenziale

Titelbild: Ackerbohnen in einem Rainout-Shelter in Göttingen. Hier wird Trockenheit simuliert und getestet, welche Pflanzen damit am besten zurechtkommen. (Bildquelle: © Dr. Lisa Brünjes)