Mehr Wasser!

Eine Genmutation lässt Gerstenwurzeln in die Tiefe wachsen

09.09.2021 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Eine Genmutation verändert das Wachstum der Gerstenwurzeln. Statt in die Breite wachsen die Wurzeln der Pflanzen stärker senkrecht in die Tiefe. Pflanzenzüchter:innen sehen hier Potenzial für die Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel. (Bildquelle: ©  Yves Bernardi / Pixabay)

Eine Genmutation verändert das Wachstum der Gerstenwurzeln. Statt in die Breite wachsen die Wurzeln der Pflanzen stärker senkrecht in die Tiefe. Pflanzenzüchter:innen sehen hier Potenzial für die Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel. (Bildquelle: © Yves Bernardi / Pixabay)

Egal ob kurz oder lang, flach oder tief: Wurzeln spielen eine wichtige Rolle in der Pflanzenwelt. Denn über sie nehmen Pflanzen Wasser und Nährstoffe auf. In seltenen Fällen führen Genmutationen zu vorteilhaften Veränderungen der Wurzelarchitektur. Ein Forschungsteam hat nun eine solche Mutation bei einer Gerstenpflanze gefunden: Die Wurzeln wachsen tiefer in den Boden und können so auch in Trockenperioden noch an Wasser gelangen. Könnten Züchter:innen das nutzen, um Kulturpflanzen fit für den Klimawandel zu machen?

Unsere Nutzpflanzenarten haben unterschiedliche Wurzel-Typen. Bei der Gerste (Hordeum vulgare) wachsen die Wurzeln normalerweise mehr in die Breite als geradewegs in die Tiefe. Doch es gibt Ausnahmen. Ein Forschungsteam der Universitäten von Bonn und Bologna hat entdeckt, dass eine Gerstenlinie ungewöhnlich tiefe Wurzeln bildet. Aber woran liegt das?

Regulatorprotein mutiert

Um der Sache auf den Grund zu gehen, analysierten die Forscher:innen das Genom der Pflanzen. Das Ergebnis zeigt: Eine Genmutation auf dem fünften Chromosom macht den Unterschied. Denn mit dieser Mutation folgen die Wurzeln stärker der Schwerkraft. Das konnten die Forscher:innen auch sehen, wenn sie die mutierten Pflanzen um 90 Grad kippten und das Wurzelwachstum mit Hilfe eines Kernspintomographs im Erdreich sichtbar machten: Die Wurzeln änderten spontan die Wachstumsrichtung Richtung Erdmittelpunkt. So kam die Mutation zu ihrem Namen: „enhanced gravitropism 2“ (egt2).

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Links: Sieben Tage alte Gerstenwurzeln der Mutante egt2: Sie wächst strikt nach unten (hypergravitrop) und kann Wasservorräte im Boden auch bei Trockenheit noch erreichen. Rechts: Zum Vergleich die Wurzel ohne die egt2-Mutation. Sie wächst in die Breite und erschließt dadurch ein größeres Erdvolumen auf der Suche nach Nährstoffen.

Links: Sieben Tage alte Gerstenwurzeln der Mutante egt2: Sie wächst strikt nach unten (hypergravitrop) und kann Wasservorräte im Boden auch bei Trockenheit noch erreichen. Rechts: Zum Vergleich die Wurzel ohne die egt2-Mutation. Sie wächst in die Breite und erschließt dadurch ein größeres Erdvolumen auf der Suche nach Nährstoffen.

Bildquelle: © Gwendolyn Kirschner

Bereits bekannt ist, dass das von der Mutation betroffene Gen normalerweise ein Gegenspieler der Auxin-vermittelten senkrechten Wachstumsrichtung ist. Das heißt, dass das Gen dem senkrechten Wachstum entgegenwirkt und so für das seitliche Wachstum der Wurzeln sorgt. Durch die Mutation egt2 wird diese Funktion ausgeschalten.

CRISPR/Cas ermöglicht die Züchtung dürreresistenter Pflanzen

Mutationen dieser Art sind sehr selten, bieten aber ein großes Potenzial für die Züchtung klimaangepasster Kulturpflanzen. Ziel der Forscher:innen ist es, das mutierte Gen egt2 mit der Genschere CRISPR/Cas auf andere Gerstenlinien und Pflanzenarten zu übertragen und so deren Wurzelarchitektur zu verändern. Das könnte landwirtschaftliche Erträge stabilisieren oder sogar steigern, wenn die Wasserversorgung der limitierende Faktor für die Pflanzen ist.

Ist der Ackerboden jedoch nährstoffarm, wäre ein weites, flaches Wurzelnetz hilfreicher, um mehr Nähstoffe aus der Erde zu filtern. Es kommt also auf den Standort an, ob diese Mutation für den Landwirt hilfreich ist. Mit der CRISPR/Cas-Methode konnten die  Forscher:innen das Gen bereits auf Gerstenlinien mit normalem Wurzelbild übertragen. Ob das Gen auch auf andere Getreidearten übertragen werden kann, muss noch getestet werden.


Quelle: 
Kirschner, G.K. et al. (2021): ENHANCED GRAVITROPISM 2 encodes a STERILE ALPHA MOTIF-containing protein that controls root growth angle in barley and wheat. In: PNAS, 118 (35), (31. August 2021), doi: 10.1073/pnas.2101526118.

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Titelbild: Eine Genmutation verändert das Wachstum der Gerstenwurzeln. Statt in die Breite wachsen die Wurzeln der Pflanzen stärker senkrecht in die Tiefe. Pflanzenzüchter:innen sehen hier Potenzial für die Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel. (Bildquelle: © Yves Bernardi / Pixabay)