Reisanbau ohne Wasser

Der Klimawandel trifft auch den Reisanbau: Die ertragreichsten Sorten sind an eine dauerhaft nasse Lebensweise angepasst, doch das Wasser wird knapp. Benötigt werden daher Reispflanzen, die auch mit längeren Trockenperioden gut umgehen können. Eine zweijährige Studie auf den Philippinen hat nun erste Genkandidaten identifiziert, die für die Züchtung resilienterer Sorten hilfreich sein könnten.

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Komplexe Prozesse sind nur im Freiland zu verstehen

Um mit Wassermangel umzugehen, haben Pflanzen drei grundsätzliche Strategien entwickelt: Sie vermeiden Trockenheit während kritischer Wachstumsphasen, beispielsweise durch vorgezogene Blühzeitpunkte. Teilweise können Pflanzen Wassermangel auch durch die Ausbildung tieferer Wurzeln zumindest zeitweise umgehen oder mit dem wenigen Nass einfach effizienter haushalten. Eine andere Strategie ist es, Trockenheit zu tolerieren, beispielsweise durch osmotische Anpassungen.

Gerade Vermeidung und Toleranz sind jedoch gekennzeichnet durch komplexe Prozesse auf biochemischer, physiologischer und ganzheitlicher Ebene. Belastbare Erkenntnisse lassen sich darüber deshalb nur unter realen Bedingungen und mit entsprechendem Aufwand gewinnen – nicht zuletzt, weil auch die Interaktion mit anderen Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen die Fitness der Reispflanze beeinflusst.

„Wenn wir die Gene identifizieren können, die in traditionellen Reisvarietäten an der Dürreresistenz beteiligt sind, könnten wir dieses Wissen nutzen, um dürreresistente Reisvarietäten mit stabilem Ertrag zu züchten“, erläutert Erstautor Simon Groen die Motivation der Studie. Das Forschungsteam hat dazu 20 Reisvarietäten mit teilweise erhöhter Trockentoleranz angebaut und analysiert, welche Gene bei Wassermangel in den Wurzeln und in den Sprossen aktiv sind und wie diese Gene mit Merkmalen zusammenhängen, die für Fitness und stabile Erträge trotz Dürre entscheidend sind.

Bis zu 1 080 Gene beteiligt

Die Studie bestätigte für den Regenfeldbau im Flachland, was eine frühere Studie bereits für den Regenfeldbau im Hochland gefunden hat: Die Reisakzessionen zeigten eine erbliche Variation hinsichtlich der Expression von Genen aus dem Auxin-Signalweg und Stressreaktionen, die mit dem Wurzelwachstum zusammenhingen. Überhaupt kommt den neuen Daten zufolge den Wurzeln die größte Bedeutung bei der Reaktion auf Dürre zu: Die Variation der Genexpressionen als Reaktion auf Trockenstress war in diesem Gewebe am größten. Die Akzession mit der stärksten Dürreantwort wies 1 080 abweichend exprimierte Gene auf.

Akzessionen, die üblicherweise in tiefem Wasser wachsen, ändern ihre Expressionsmuster hingegen deutlich schwächer bei Wassermangel. Eine weitere spannende Forschungsfrage wäre daher, ob man auch Sorten entwickelt kann, die sowohl Überflutung als auch Trockenheit gut tolerieren. Das wäre der Königsweg bei der Reiszüchtung.

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Guttation und Wurzeldichte als Züchtungsziele bestätigt

Die Unterschiede in den Expressionsmustern konnte das Forschungsteam mehreren Co-Expressions-Modulen in den Wurzeln bzw. in den Sprossen zuordnen. Drei dieser Module korrelierten stark mit der pflanzlichen Fitness und wurden durch Phytohormone beeinflusst, die bekannt dafür sind, an Stressantworten beteiligt zu sein – darunter Auxin, Abscisinsäure und Salicylsäure. Außerdem fand die Studie enge Verbindungen aller drei Module zu Guttation, osmotischem Potenzial der Wurzeln sowie der Dichte des Wurzelhalses.

Die Guttation und die Plastizität der Wurzeldichte sind demnach Merkmale, um Trockenheit zu vermeiden. Das osmotische Potenzial der Blätter und die Plastizität des osmotischen Potenzials der Wurzeln sind hingegen Merkmale, um Trockenheit zu tolerieren. Doch die letztgenannten Mechanismen wiesen nur eine geringe Erblichkeit auf, weshalb Guttation und Wurzeldichte geeignetere Züchtungsziele darstellen könnten. Die beiden Transkriptionsmodule in den Wurzeln umfassen zudem Transkripte für Aquaporine, die unter Trockenstress den Wasserfluss zu den Sprossen regulieren. Nicht zuletzt korrelierten diese beiden Module mit Transkripten in den Sprossen, die an der Photosynthese beteiligt sind.

Die gewonnen Erkenntnisse nutzte das Team für Vorhersagen über die Fitness der Pflanzen unter trockenen bzw. feuchten Bedingungen – und waren damit erfolgreich. Grundlage bildeten insbesondere trockenheitsbedingte Änderungen der Expressionsmuster in den Wurzeln in Bezug auf Wasserlimitierungen und Phosphormangel. Aber auch die Intensität der Interaktion mit arbuskulären Mykorrhizapilzen erwies sich als positiv korreliert mit der Strohbiomasse – einem wichtigen Fitnessfaktor – und sollte nach Einschätzung des Forschungsteams daher unbedingt mit Blick auf Trockentoleranz näher analysiert werden.

Quelle:
Groen, S.C. et al. (2021): Evolutionary systems biology reveals patterns of rice adaptation to drought-prone agro-ecosystems. In: The Plant Cell, (15. November 2021), doi: 10.1093/plcell/koab275.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

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Titelbild: Der Reisanbau ist stark von einer ausreichenden Wasserversorgung abhängig. Doch Trockenphasen nehmen durch die Klimakrise zu. Neue Sorten sollten daher eine gute Trockentoleranz aufweisen. (Bildquelle: © Son Hoa Nguyen / Pixabay)