Laut einer neuen Studie profitiert Weizen, der exotische DNA von wilden Verwandten enthält, von bis zu 50 Prozent höheren Erträgen bei heißem Wetter im Vergleich zu Elitelinien, denen diese Gene fehlen.
Nach einem Jahr, in dem Temperaturrekorde gebrochen wurden, bietet die Forschung des Earlham Institute in Norwich in Zusammenarbeit mit dem International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) dringend benötigte Hoffnung für eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen und der Ernährungssicherheit angesichts des Klimawandels .
Die Feldversuche in Mexiko betonen auch die Bedeutung der genetischen Vielfalt bei Schlüsselkulturen, bei denen Jahrzehnte der selektiven Züchtung ihre Fähigkeit zur Anpassung an einen sich schnell erwärmenden Planeten verringert haben.
Es besteht wachsende Ungewissheit darüber, ob die wichtigsten Nahrungspflanzen in der Lage sind, die globale Nachfrage weiterhin zu decken, wenn die Temperaturen steigen und die Wetterereignisse immer extremer werden.
Weizen liefert weltweit mehr Kalorien als jede andere Kulturpflanze, doch der Großteil des weltweit angebauten Weizens weist eine begrenzte genetische Variation auf, was ihn anfällig für die Auswirkungen des Klimawandels macht.
„Weizen ist für etwa 20 Prozent der weltweit verbrauchten Kalorien verantwortlich und wird auf der ganzen Welt in großem Umfang angebaut“, sagt Professor Anthony Hall, Studienautor und Gruppenleiter am Earlham Institute. „Aber wir wissen nicht, ob die Pflanzen, die wir heute anbauen, dem Wetter von morgen standhalten werden.
„Erschwerend kommt hinzu, dass die Entwicklung neuer Sorten ein Jahrzehnt oder länger dauern kann, daher ist schnelles Handeln von entscheidender Bedeutung.“
In Zusammenarbeit mit CIMMYT richteten Forscher des Earlham Institute einen zweijährigen Feldversuch in der mexikanischen Sonora-Wüste ein. Sie untersuchten 149 Weizenlinien, von weit verbreiteten Elitelinien bis hin zu solchen, die selektiv gezüchtet wurden, um DNA von wilden Verwandten und Landrassen aus Mexiko und Indien aufzunehmen.
„Das Überqueren von Elitelinien mit exotischem Material hat seine Herausforderungen“, sagte Matthew Reynolds, Co-Autor der Studie und Leiter der Weizenphysiologie bei CIMMYT.
„Es besteht ein bekanntes Risiko, mehr unerwünschte als wünschenswerte Merkmale einzubringen, daher stellt dieses Ergebnis einen bedeutenden Durchbruch bei der Überwindung dieser Barriere und der fortgesetzten Nutzung genetischer Ressourcen zur Steigerung der Klimaresilienz dar.“
Die Samen wurden später in der Saison gesät, um die Pflanzen zum Wachsen in den heißeren Monaten zu zwingen, wodurch diese Pflanzen der Art von Hitzestress ausgesetzt werden, der voraussichtlich zur Norm wird, wenn die globalen Temperaturen steigen.
Sie fanden heraus, dass die mit exotischer DNA gezüchteten Pflanzen einen um 50 Prozent höheren Ertrag erzielten als Weizen ohne diese DNA. Wichtig ist, dass die exotischen Linien unter normalen Bedingungen nicht schlechter abschnitten als die Elite-Linien.
Die Forscher sequenzierten die Pflanzen, um spezifische genetische Unterschiede zu lokalisieren, die für die erhöhte Hitzetoleranz verantwortlich sind. Sie identifizierten genetische Marker, die die gezielte Einführung dieser nützlichen exotischen DNA in Elite-Linien ermöglichen könnten, was eine schnelle Möglichkeit bietet, die Klimaresilienz zu verbessern und weit verbreitete Ernteausfälle abzumildern.
Benedict Coombes, Studienautor und Ph.D. Student am Earlham Institute, sagte: „Während wir versuchen, mehr Nahrungsmittel auf weniger Land zu produzieren, um eine wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, müssen wir die Pflanzen, die wir anbauen, dringend zukunftssicher machen, damit sie in einem zunehmend feindlichen Klima gedeihen können.“
„Der Schlüssel dazu, stellen wir zunehmend fest, könnte in weitgehend unerschlossenen genetischen Ressourcen von wilden Verwandten und Landrassen des Weizens liegen.“
Die Forscher schlagen vor, dass Züchtungsprogramme die Wärmetoleranzmerkmale als präventive Strategie zur Produktion von Weizenpflanzen einbeziehen, die mit einem weniger vorhersehbaren Klima fertig werden können.
„Das ist Wissenschaft, die wir jetzt nutzen können, um fast sofort etwas zu bewirken“, fügte Professor Hall hinzu. „Wir haben die Feldversuche durchgeführt, wir wissen, nach welchen genetischen Markern wir suchen, und wir beginnen Gespräche mit Weizenzüchtern, sodass dies hoffentlich der erste von vielen Schritten sein wird, um in Zukunft zur globalen Ernährungssicherheit beizutragen Jahre.“
„Die Entdeckungen, die wir machen, und die Maßnahmen, die wir ergreifen, werden hoffentlich dazu führen, dass Menschen auf der ganzen Welt weiterhin nahrhafte Lebensmittel auf ihren Tellern haben können.“
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikationsbiologie.
Mehr Informationen:
Gemma Molero et al, Exotische Allele tragen zur Hitzetoleranz bei Weizen unter Feldbedingungen bei, Kommunikationsbiologie (2023). DOI: 10.1038/s42003-022-04325-5