Forscher klären die Variabilität und Anpassungsfähigkeit der Internodienverlängerung in Gerste auf

Pflanzenarchitektur ist das Ergebnis mehrerer aufeinanderfolgender Entwicklungsprozesse, die in zwei Ereignisse eingeteilt werden können: Organogenese und Ausbreitung. Die Organogenese geht von den Meristemen (Stammzellen) aus, aus denen verschiedene Arten von Organen (z. B. Blätter und Blüten) und Achselknospen sowie den darunter liegenden Internodien entstehen. Diese Organe bilden eine funktionelle Einheit namens Phytomer. Es iteriert und erweitert sich über mehrere Runden, bis der Apex entweder abbricht oder in einer speziellen Struktur endet.

In diesem Zusammenhang stellt die Hauptkörperachse der Gerste eine kontinuierliche Segmentierung von Phytomeren dar, wobei sowohl vegetative als auch reproduktive Organe an entgegengesetzten Enden nebeneinander existieren. Dennoch ist die Art und Weise, wie die Initiierung und Verlängerung von Phytomeren koordiniert wird, noch immer kaum verstanden. Daher untersuchte ein Forschungsteam systematisch die Phytomer-Initiierung und -Verlängerung, indem es sich auf die Knotenzahl und die Internodienlänge in den vegetativen Halmen und reproduktiven Ähren von Gerste konzentrierte.

„Durch die Messung von 15.000 Datenpunkten, die die Länge und Anzahl der Phytomer von 2.500 einzelnen Gerstenpflanzen mit großer genetischer Vielfalt darstellen, haben wir ein bisher nicht erkanntes universelles Muster der Internodienverlängerung entlang der Hauptachse entdeckt“, erklärt Dr. Yongyu Huang, Erstautor der Studie veröffentlicht In Molekularbiologie und Evolution.

„Das Muster der Internodienverlängerung unterteilt die Hauptkörperachse klar in drei Unterzonen vom Kopf bis zum Schwanz, unabhängig von der Phytomerzahl“, sagt Huang. „Wir bezeichneten diese drei Unterzonen als proximale, zentrale und distale Internodien und konnten jede ihrer genetischen Zusammensetzungen explizit analysieren.“

In ihrer Arbeit konnten die Forscher sowohl bekannte als auch neue Genomorte identifizieren, die die Internodienverlängerung der Gerste beeinflussen. Ein markantes Beispiel ist das Blütezeitgen PHOTOPERIOD1, das umfunktioniert wird, um die Länge des proximalen Internodiums über den Gibberellinsäure (GA)-Weg zu bestimmen. GA ist ein Hormon, das für die Internodienverlängerung benötigt wird.

In den 1960er Jahren führten „semi-dwarfing“-Genmutationen der Grünen Revolution, die das GA-Hormonsystem veränderten, zu einer Reduzierung der Pflanzenhöhen sowohl bei Weizen als auch bei Reis, was den Anbau in höheren Pflanzdichten ermöglichte und gleichzeitig Ablagerungen verhinderte.

„Ein großer Umweltnachteil der Einführung von Halbzwergsorten war jedoch der hohe Einsatz von chemischem Dünger, um die Fruchtbarkeit der Blütenstände aufrechtzuerhalten, wenn die Biomasse abnimmt“, sagt Huang. Auch heute noch gilt Gerste als weniger lagertolerant. „Unsere Studie zeigt, dass kürzere proximale Internodien mit einem höheren Überleben der Blütenorgane verbunden sind.“

Dies deutet darauf hin, dass durch die Umverteilung von Ressourcen von den proximalen Internodien auf die Blütenorgane in frühen Entwicklungsstadien die Fruchtbarkeit der Blütenstände während der Halbzwergbildung wahrscheinlich erhalten bleibt und so eine Ablagerung verhindert wird.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass verschiedene lokal angepasste Gerstenpopulationen unterschiedliche proximale Internodienlängen aufweisen, während die distalen Internodien gleich bleiben. „In Pflanzengemeinschaften kann ein dichtes Blätterdach zu unterschiedlichen Mikroklimata von proximal nach distal führen“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, Leiter der IPK-Forschungsgruppe Pflanzenarchitektur und Professor für Entwicklungsgenetik von Nutzpflanzen an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. „Dies kann über den vertikalen Raum variieren, was zu einer dynamischen Verlängerung verschiedener Internodien führt.“