Hitze, Salz, Dürre: Diese Gerste trotzt dem Klimawandel

Forschen für Ernährungssicherheit: Eine neue Gerstenlinie sorgt selbst bei schlechten Umweltbedingungen für gute Ernteerträge. Gezüchtet wurde sie von einem Forschungsteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), das dafür eine gängige Sorte mit verschiedenen Wildgersten kreuzte. Anschließend haben die Forschenden die neuen Linien an fünf sehr unterschiedlichen Standorten auf der Welt angebaut, das Wachstum der Pflanzen beobachtet und ihr Erbgut Pflanzen analysiert. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ berichtet, sind einige Pflanzen nicht nur hitze- und dürrebeständiger, sie liefern in vielen Fällen auch höhere Ernteerträge als die lokalen Vergleichssorten.

Gerste gehört neben Weizen und Reis zu den wichtigsten Getreiden für die Ernährung des Menschen. „Weltweit steigt der Bedarf nach Nahrungsmitteln, weshalb der Anbau dieser Getreidepflanzen verlässliche Ernteerträge generieren muss. Durch den Klimawandel verschlechtern sich aber die Bedingungen für den Anbau weltweit und die Pflanzen müssen immer häufiger gedüngt und bewässert werden“, sagt der Pflanzenwissenschaftler Prof. Dr. Klaus Pillen von der MLU. Seine Arbeitsgruppe forscht deshalb seit Jahren daran, wie sich gängige Getreidesorten verbessern lassen. Ihr Ansatz ist dabei, bestimmte industriell genutzte Gerstensorten mit wilden Gersten zu kreuzen. „Wildgersten haben sich praktisch über Millionen Jahre an widrige Umweltbedingungen angepasst. Sie verfügen noch heute über eine reichhaltige Biodiversität“, erklärt Pillen. Im Idealfall, so die Idee, lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften beider Getreidearten miteinander kombinieren.

Für die Studie hat das Forschungsteam eine typische Gerstensorte mit 25 Wildgersten gekreuzt. Dabei entstanden unter anderem 48 genetisch voneinander verschiedene Pflanzenlinien, die das Forschungsteam dann jeweils an fünf sehr unterschiedlichen Standorten auf der Welt anbaute: Dundee (Großbritannien), Halle (Deutschland), Al Karak (Jordanien), Dubai (Vereinigte Arabische Emirate) und Adelaide (Australien). Jeder dieser Orte hat seine eigenen Rahmenbedingungen: Australien und Dubai leiden unter sehr stark versalzenen, trockenen Böden, Al Karak und Dubai unter Hitze und Dürre. In Deutschland werden die Äcker immer zusätzlich mit Stickstoff gedüngt, um die Ernteerträge zu erhöhen. Während der Anbauzeit beobachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Wachstum der Pflanzen unter umweltbedingtem Stress und verglichen die Ergebnisse mit heimischen Sorten aus einer Kontrollgruppe. „Wir haben dann jeweils die Pflanzen aus unserer Zucht ausgewählt, die vor Ort besonders gut wuchsen und ihr Erbgut genauer untersucht“, so Pillen weiter. Damit wollten die Forschenden Rückschlüsse auf das Zusammenspiel von Genen, Umwelt und Ernteerträgen ziehen.

„Unsere Studie zeigt außerdem, dass ein gutes Timing bei der Entwicklung der Pflanzen extrem wichtig ist. So lassen sich maximale Ernteerträge auch bei ungünstigen Umweltbedingungen sicherstellen“, fasst Pillen zusammen. Damit meint er zum Beispiel die Tagesdauer, die je nach Breitengrad unterschiedlich ist: Je näher ein Ort am Äquator liegt, desto kürzer ist die tägliche Sonnenscheindauer. Und das hat einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Pflanzen. „In Nordeuropa ist es für Pflanzen vorteilhaft, wenn sie eine späte Blüte haben. Je näher man an den Äquator kommt, desto besser ist es, wenn sich die Pflanzen deutlich schneller entwickeln“, sagt Pillen. Anhand von genetischen Analysen der Pflanzen konnte das Team auch Rückschlüsse auf die Genvarianten ziehen, die dafür verantwortlich sind.

Aus dem Wissen darüber, welche Genvarianten für welche geographische Region vorteilhaft sind, lassen sich nach dem Baukastenprinzip Pflanzen kreuzen und züchten, die besonders gut an die lokalen Bedingungen vor Ort angepasst sind. Und das lohnt sich: Selbst unter den widrigen Bedingungen lieferten die besten halleschen Gersten bis zu 20 Prozent höhere Erträge als heimische Pflanzen.

In Folgeprojekten möchte das Forscherteam das Genmaterial noch weiter untersuchen, um detailliertere Erkenntnisse über die Stresstoleranz von Pflanzen zu gewinnen. Die Erkenntnisse aus der neuen Studie lassen sich zudem im Prinzip auch auf andere Getreidesorten, wie Weizen und Reis, übertragen.

Originalpublikation:

Wiegmann M. et al. Barley yield formation under abiotic stress depends on the interplay between flowering time genes and environmental cues. Scientific Reports (2019). doi: 10.1038/s41598-019-42673-1