Genetische Matrize für robuste Pflanzen

Die Erderwärmung stellt Landwirte vor neue Herausforderungen: Unter immer schwierigeren Klimabedingungen müssen genügend Nahrungsmittel für immer mehr Menschen gedeihen. Im Genom der äußerst genügsamen Perlhirse suchen Wissenschaftler nun nach den genetischen Geheimnissen für ein Wachstum bei Hitze und Trockenheit. Damit lassen sich auch andere Nutzpflanzen an den Klimawandel anpassen.

Bis zum Jahr 2100 erwarten Klimaforscher eine durchschnittliche Erderwärmung um 1 bis 6 °C. Was sich zunächst eher harmlos anhört, kann dramatische Folgen für die Landwirtschaft und für die Ernährung der rasant wachsenden Weltbevölkerung haben: In besonders heißem und trockenem Klima können viele unserer heutigen Grundnahrungspflanzen wie Weizen, Mais und Reis nicht mehr ertragreich gedeihen. Daher untersuchen Wissenschaftler nun Nahrungspflanzen mit ausgeprägter Hitze- und Trockenheitsresistenz, um die genetischen Merkmale dieser Pflanzen möglicherwiese auf andere Nutzpflanzen übertragen zu können.

Perlhirse ist extrem tolerant

Eine dieser Pflanzen ist die Perlhirse (Pennisetum glaucum (L.) R. Br., syn. Cenchrus americanus (L.) Morrone), die aufgrund ihrer Fruchtform auch als Rohrkolbenhirse oder Pinselgras bezeichnet wird. Die Perlhirse ist eine einjährige Pflanze, die mit ihrem drei bis vier Meter hohen Wuchs ein wenig an Maispflanzen erinnert.

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Hierzulande ist die Perlhirse nahezu unbekannt. In den feuchten und halbtrockenen Gebieten südlich der Sahara, in Indien und Süd-Asien wird sie jedoch von 90 Millionen Bauern angebaut. Sie dient in diesen Regionen als verlässliche Grundnahrungspflanze, da sie an die harschen Umweltbedingungen dieser Regionen optimal angepasst ist: Die Perlhirse wächst auf kargen Böden mit hohem pH-Wert, ist besonders Aluminium-tolerant, trocken- und hitzestabil, sowie salztolerant. Auch als Futtermittel für die Rindermast ist Perlhirse in diesen Regionen beliebt.

Für europäische Verhältnisse zu ertragsarm

Für europäische Landwirte ist die Pflanze bisher nicht interessant. Und das hat einen Grund: „Trotz ihrer landwirtschaftlichen Bedeutung in einigen Regionen der Welt ist die Perlhirse vergleichsweise ertragsarm“, erklärt Dr. Yusheng Zhao, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Quantitative Genetik am IPK in Gatersleben. „Um ihre besonderen Qualitäten zukünftig züchterisch erschließen zu können, wurde gemeinsam mit Kooperationspartnern in Amerika, Asien und anderen europäischen Ländern das Genom einer Perlhirsensorte sequenziert.“

Die Wissenschaftler resequenzierten außerdem eine große Zahl verschiedener Genotypen der gleichen Art. Auf diese Weise erhalten die Forscher zusätzliche Einblicke in die genetische Struktur und Vielfalt dieser Kulturart und können Rückschlüsse auf deren Entstehungsgeschichte ziehen. Außerdem suchen die Forscher im Genom nach Möglichkeiten, die Pflanze züchterisch zu verbessern. 

Genomsequenzierung in internationalem Verbund

Der internationale Forschungsverbund sequenzierte dazu fast 1.000 verschiedenen Linien der Perlhirse. Die nun offengelegten Sequenzdaten machen den Weg frei für moderne, markergestützte Züchtungsmethoden, um die Perlhirse für schwierige Klimaverhältnisse zu optimieren. Die Erkenntnisse, die die Wissenschaftler bei den Untersuchungen der Perlhirse gerade gewinnen, können auch auf andere Nutzpflanzen übertragen werden. Denn obwohl die Perlhirse gesund und schmackhaft ist, stehen auf dem Speiseplan der Europäer bekanntlich eher Weizen, Roggen und Hafer.

IPK Gatersleben mit modernster Technik beteiligt

Am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben arbeiten mehr als 500 Forschende aus über 30 Nationen an der Untersuchung der genetischen Vielfalt von Kultur- und verwandten Wildpflanzen. „Unser Beitrag zu der Studie bestand darin, Perlhirsepflanzen mit modernen biostatistischen Verfahren aufzuspüren, welche sich im Besonderen für die Hybridzüchtung eignen und somit zu maßgeblichen Ertragssteigerungen bei dieser Kulturart beitragen können“, freut sich Prof. Dr. Jochen C. Reif, Leiter der Abteilung Züchtungsforschung des IPK in Gatersleben. „Die Anerkennung unserer Forschungsarbeit durch die Veröffentlichung der Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature Biotechnology zeigt, wie wichtig es ist, globale Herausforderungen wie die Ernährungssicherung in Zeiten des Klimawandels durch internationale Kooperationen anzugehen.“