Wissenschaftler haben ein Schlüsselgen im Reis identifiziert, das für ein kräftiges Pflanzenwachstum selbst bei Düngermangel sorgt. Diese Entdeckung könnte Landwirten helfen, Kosten und Umweltbelastung zu reduzieren und gleichzeitig die Ernten in einer sich erwärmenden Welt zu sichern.
Ein neu identifiziertes „Masterregulator“-Gen im Reis könnte Landwirten helfen, mit weniger Dünger mehr Getreide zu ernten und so sowohl den Geldbeutel als auch die Umwelt zu schonen.
Ein internationales Forscherteam der Universität Oxford, der Landwirtschaftlichen Universität Nanjing und des Instituts für Genetik und Entwicklungsbiologie (Chinesische Akademie der Wissenschaften) hat entdeckt, wie ein einzelnes Gen Reis dabei hilft, das Wurzel- und Sprosswachstum bei Stickstoffmangel – einem wichtigen Pflanzennährstoff – im Gleichgewicht zu halten. Durch die Nutzung einer natürlich stärkeren Variante dieses Gens konnte das Team die Reiserträge in Feldversuchen um bis zu 24 % steigern, selbst bei reduziertem Düngemitteleinsatz.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift ForschungSie weisen auf einen wirkungsvollen neuen Weg hin, die globale Ernährungssicherheit zu verbessern und gleichzeitig die Abhängigkeit von synthetischen Stickstoffdüngern zu verringern, deren Herstellung teuer ist und die eine Hauptquelle für Treibhausgasemissionen und Wasserverschmutzung darstellen.
Die moderne Landwirtschaft ist stark auf Stickstoffdünger angewiesen, um hohe Erträge zu erzielen. Sinkt der Stickstoffgehalt im Boden, reagieren Pflanzen typischerweise, indem sie mehr Energie in die Wurzeln investieren, um Nährstoffe zu finden, was das Triebwachstum und die Kornproduktion beeinträchtigt. Diese Überlebensstrategie funktioniert in der Natur, begrenzt aber die Ernteerträge in der Landwirtschaft.
Bislang war Wissenschaftlern der molekulare Schalter unbekannt, der diesen Wechsel steuert. Die neue Studie identifiziert ein Gen im Reis namens WRINKLED1a als zentralen Regulator, der das ober- und unterirdische Wachstum der Pflanze in Abhängigkeit von der Stickstoffverfügbarkeit koordiniert.
In Gewächshaus- und Feldversuchen untersuchten die Forscher die Auswirkungen einer Über- bzw. Unterexpression des Gens WRINKLED1a. Reispflanzen ohne funktionsfähige Version dieses Gens verloren ihre Fähigkeit, das Wurzelwachstum unter Stickstoffmangelbedingungen zu steigern, und zeigten auch bei ausreichender Stickstoffversorgung ein schwächeres Sprosswachstum. Im Gegensatz dazu wuchsen Pflanzen, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie WRINKLED1a überexprimierten, sowohl in Wurzeln als auch in Sprossen kräftiger und wiesen bei wechselnden Stickstoffbedingungen ein stabileres Gleichgewicht zwischen beiden auf.
Um die Laborforschung zu verlassen und die Ergebnisse in der realen Landwirtschaft anzuwenden, suchte das Team nach natürlichen Variationen des Gens in verschiedenen Reissorten. Durch die Untersuchung von über 3,000 Sorten fanden sie eine Variante von WRINKLED1a, die stärker exprimiert wird. Dieses „verbesserte“ Allel kreuzten sie in Reispflanzen ein, die ursprünglich eine schwächere Form des Gens trugen.
In drei Feldversuchen in den chinesischen Provinzen Hainan und Anhui wiesen die verbesserten Pflanzen unter verschiedenen Stickstoffbedingungen ein gleichmäßigeres Wurzel-Spross-Verhältnis auf und produzierten mehr Korn. Bei relativ geringer Stickstoffdüngung erzielten sie eine Ertragssteigerung von 23.7 %. Selbst bei hoher Düngung stiegen die Erträge noch um 19.9 %.
Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des Gens als Werkzeug für eine nachhaltigere Landwirtschaft, so der korrespondierende Autor Zhe Ji, ein Postdoktorand im Fachbereich Biologie und Mitarbeiter des Calleva Research Centre am Magdalen College der Universität Oxford.
„Unsere Studie zeigt deutlich, dass dieser Regulator ein vielversprechendes Ziel für die nachhaltige Verbesserung von Nutzpflanzen darstellt. Es war außergewöhnlich zu sehen, welchen Unterschied die verbesserte Version des Gens bei unseren Feldversuchen auf die Reiserträge ausübte“, sagte Ji in einer Pressemitteilung.
Bei genauerer Untersuchung der Funktionsweise von WRINKLED1a zeigte das Team, dass das Gen in verschiedenen Teilen der Pflanze unterschiedliche Rollen spielt.
In den oberirdischen Pflanzenteilen wirkt WRINKLED1a als Aktivator und schaltet das regulatorische Gen NGR5 ein, welches die Verzweigung fördert. Mehr Verzweigungen bedeuten mehr Stellen für die Kornbildung. In den Wurzeln aktiviert WRINKLED1a Gene, die an der Stickstoffaufnahme beteiligt sind, und hilft den Pflanzen so, mehr Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen.
Das Gen greift außerdem in einen Proteinkomplex in den Wurzeln ein, der normalerweise die Anreicherung von Auxin, einem Pflanzenhormon, das das Wurzelwachstum anregt, verhindert. Indem es diesen Komplex nur in den Wurzeln und nicht in den oberirdischen Pflanzenteilen stört, hilft WRINKLED1a dem Reis, sein Wurzelsystem anzupassen, ohne die üblichen Nachteile im oberirdischen Wachstum zu verursachen. Dieses gewebespezifische Verhalten scheint der Schlüssel zu sein, um den klassischen Zielkonflikt „mehr Wurzeln, weniger Sprosse“ zu vermeiden.
Reis ist für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung das Hauptnahrungsmittel, und die Nachfrage steigt mit dem globalen Bevölkerungswachstum. Gleichzeitig gefährdet der Klimawandel die Reisernte. Studien legen nahe, dass jeder Temperaturanstieg um 1 Grad Celsius während der Reisanbausaison die Erträge um mehr als 8 % reduzieren kann.
Stickstoffdünger zählt zu den größten Kostenfaktoren für Reisbauern und macht mitunter ein Drittel der gesamten Produktionskosten aus. Die Herstellung und Ausbringung dieses Düngers setzt Treibhausgase frei und kann Gewässer verschmutzen, wenn überschüssiger Stickstoff von den Feldern abgetragen wird.
Indem die WRINKLED1a-Strategie es Pflanzen ermöglicht, mit weniger Stickstoff hohe Erträge zu erzielen, könnte sie Landwirten in wohlhabenden wie auch in einkommensschwachen Regionen helfen. Für Kleinbauern, die sich keine großen Düngermengen leisten können, könnten Sorten mit einer robusteren Variante des Gens zuverlässigere Ernten auf derselben Fläche bedeuten. Für Großproduzenten könnte sie die Betriebskosten senken und die Umweltbelastung reduzieren.
Der Hauptautor Shan Li von der Landwirtschaftlichen Universität Nanjing wies darauf hin, dass das Gen eine Möglichkeit bietet, die Reaktion von Nutzpflanzen auf Nährstoffmangel neu zu gestalten.
„WRINKLED1a hilft Reis, den üblichen Zielkonflikt zwischen mehr Wurzeln und weniger oberirdischen Pflanzenteilen bei Stickstoffmangel zu vermeiden und ermöglicht so stabile Erträge bei geringerer Stickstoffdüngung. Im nächsten Schritt soll untersucht werden, ob homologe Gene in anderen Nutzpflanzen wie Weizen und Mais genutzt werden können, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen“, sagte Li in der Pressemitteilung.
Dieser nächste Schritt könnte bahnbrechend sein. Wenn ähnliche Gene in anderen wichtigen Getreidearten auf dieselbe Weise verändert werden können, ließe sich dieser Ansatz auf weite Teile der globalen Getreideversorgung ausweiten. Forscher könnten konventionelle Züchtungsmethoden nutzen, um stärkere natürliche Allele einzuführen, oder Genomeditierungswerkzeuge anwenden, um die Genaktivität präzise zu steuern, ohne fremde DNA hinzuzufügen.
Eine flächendeckende Einführung erfordert weitere Tests in unterschiedlichen Umgebungen, Bodentypen und Anbausystemen sowie eine sorgfältige Bewertung der Langzeitwirkungen auf die Bodengesundheit und die Ökosysteme. Die Studie liefert jedoch einen klaren Machbarkeitsnachweis: Durch das Verständnis und die Anpassung der genetischen Schaltkreise, die die Ressourcenverteilung in Pflanzen steuern, könnte es möglich sein, mit weniger Aufwand mehr Nahrungsmittel zu produzieren.
Angesichts des zunehmenden Klimawandels und schwankender Düngemittelpreise könnte ein solcher Effizienzgewinn entscheidend sein. Die Entdeckung der zentralen Rolle von WRINKLED1a im Reiswachstum gibt Pflanzenwissenschaftlern und -züchtern einen neuen, präzisen Ansatzpunkt für eine der ältesten Herausforderungen der Landwirtschaft: die Welt zu ernähren, ohne den Planeten zu überlasten.
Quelle: University of Oxford