Wie macht der Reis das?

Reis hält Aluminium im Boden wesentlich besser aus als andere Getreidearten. Warum das so ist, erforschten Wissenschaftler mit genomweiten Assoziationsstudien.

Saure Böden sind ein schwieriges Terrain für zahlreiche Feldfrüchte. Sinkt der pH-Wert des Bodens unter 5,0 ab, liegt Aluminium gelöst als dreifach positiv geladenes Kation (Al³ ) vor, das für Pflanzen hochgradig toxisch ist. Es verhindert das Wurzelwachstum und hinterlässt Pflanzen mit krüppelhaften Wurzelsystemen, die kaum mehr Nährstoffe und Wasser aus dem Boden aufnehmen können. Da etwa die Hälfte aller urbaren Böden sauer ist, suchen Pflanzenzüchter nach den relevanten Genen, die für eine Aluminiumtoleranz verantwortlich sind.

Reis toleriert Aluminium am besten

Wegen ihrer Bedeutung für die menschliche Ernährung wurden bisher vor allem Reis, Mais, Weizen, Gerste und Hirse auf ihre Aluminiumverträglichkeit hin untersucht. Es zeigte sich, dass Reis das toxische Leichtmetall im Boden sechs bis zehn Mal besser toleriert als die übrigen getesteten Pflanzen. Die genetischen und biochemischen Mechanismen dahinter sind jedoch bisher weitgehend unbekannt. Anders als bei Mais, Reis und der Modellpflanze Arabidopsis wird die Aluminiumtoleranz in Weizen, Hirse und Gerste als einfaches Merkmal, das nur von einem oder wenigen Genen kontrolliert wird, vererbt. Im Weizen ist ein Malat-, in Hirse ein Citrat-Transporter an der Steuerung der Aluminiumempfindlichkeit beteiligt. In Reis hatten Wissenschaftler bestimmte ABC-Transporter und einen Zinkfinger-Transkriptionsfaktor als mögliche Kandidaten für die Aluminiumtoleranz-Regulation im Labor unter die Lupe genommen. Gene, die der natürlichen Varianz bei der Aluminiumtoleranz unterliegen, sind bisher unbekannt.

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Genomweite Assoziationsstudien vereinfachen Untersuchungen

Pflanzen zu züchten, die auch auf sauren Böden gedeihen, ohne aber Metalle und andere toxische Substanzen in ihren Ernteorganen zu akkumulieren, ist eine wichtige Aufgabe der Pflanzenforschung. Was früher aufwendiger Kreuzungsversuche bedurfte, ist heute mit sog. genomweiten Assoziationsstudien möglich. Mit diesen Studien und bi-parentalem QTL Mapping erforschten Wissenschaftler die genetische Architektur der Aluminiumtoleranz in Reis (Oryza sativa). Japonica-Arten erwiesen sich dabei als doppelt so tolerant wie Indica-Arten. Mit Hilfe der genomweiten Assoziationsstudie identifizierten die Wissenschaftler 48 Regionen im Reisgenom, die an der Regulation der Aluminium-Toleranz beteiligt sind. Diese können nun genauer unter die Lupe genommen und in Züchtungsansätzen gezielt miteinander kombiniert werden. 

Genomweite Analysen eröffnen Wissenschaftlern und Züchtern erstmals die Möglichkeit, besser zu verstehen, wie Pflanzen auf abiotische Stressfaktoren reagieren und welche züchterischen Möglichkeiten es gibt, die Resistenz der Pflanzen diesen Stressfaktoren gegenüber zu erhöhen.