Die Ernährungssicherheit entwickelt sich zu einer der größten Herausforderungen, vor denen wir weltweit stehen. In einigen Gegenden hat sich der Zugang zu Nahrungsmitteln stetig verschlechtert. den letzten Jahrenaufgrund von Kriegen, Inflation und klimabedingten Extremwetterereignissen. Die Kosten für Grundnahrungsmittel wie Eier und Gemüse sind machte Nachrichten weltweit.
Die Inflation der Lebensmittelpreise ist jetzt weiter der Gesamtinflation in über der Hälfte der Länder der Welt. Die offensichtliche Antwort ist, mehr Nutzpflanzen anzubauen, vor allem die energiereichen Top Sechs— Reis, Weizen, Mais, Kartoffeln, Sojabohnen und Zuckerrohr.
Leider wird es aufgrund von Konflikten, Wetterextremen wie Dürren und Überschwemmungen sowie einem Anstieg der Pflanzenkrankheiten und Schädlinge.
Damit die Landwirte auch in einer unsicheren Zukunft produzieren können, brauchen wir bessere Nutzpflanzen. Doch ein Großteil der Spitzenforschung in der Landwirtschaft konzentriert sich auf die Verbesserung bestimmter Aspekte einer Pflanze – etwa eine bessere Dürreresistenz oder eine bessere Fähigkeit, Salz im Boden zu tolerieren. Dies reicht möglicherweise nicht aus, um mit zukünftigen Schocks fertig zu werden.
Unser Forschung schlägt einen Weg vor, die Züchtung stärkerer Nutzpflanzen zu beschleunigen, indem die gesamte genetische Stärke der Nutzpflanzenarten genutzt wird.
Ernten, die nicht aufhören
Der Mensch hat die Pflanzen, die uns den Löwenanteil unserer Nahrungsmittel liefern, durch selektive Züchtung und genetische Manipulation stark verändert.
Doch landwirtschaftliche Forschung findet häufig isoliert statt. Die Forscher vertiefen sich in die Lösung spezifischer Probleme – zum Beispiel wie man Weizen widerstandsfähig gegen einen bestimmten Pilz macht.
Angesichts der wachsenden Herausforderungen für die Nahrungsmittelsicherheit an vielen Fronten ist ein neuer Ansatz erforderlich. Der Klimawandel wird unsere Ernten auf vielfältige Weise bedrohen. Teile der Welt könnten plötzliche Dürren erleiden, während andere durch extreme Regenfälle überschwemmt werden. Einige Schädlinge und Krankheiten werden in einer heißeren Welt gedeihen.
Aus diesem Grund verfolgen wir einen anderen Ansatz: die Pangenomik, bei der versucht wird, alle Gene zu erfassen, auf die eine Art Zugriff hat.
Man könnte meinen, eine Art habe einen einheitlichen Satz Gene, aber das stimmt nicht. Ja, alle Reispflanzen haben einen Satz gemeinsamer genetischer Sequenzen. Aber auch einzelne Pflanzen und Sorten weisen deutliche genetische Unterschiede auf. Das Pangenom umfasst all diese Unterschiede.
Die Idee eines Pangenoms entstand erst im Jahr 2005als der Mikrobiologe Hervé Tettelin und seine Mitarbeiter nach einem Impfstoff gegen Streptokokken-Bakterien suchten. Als sie verschiedene Stämme untersuchten, erkannten sie, wie viele zusätzliche genetische Informationen in ihnen steckten.
Es war ein Durchbruch und zeigte, wie viel uns entgangen war, als wir uns so sehr auf ein einzelnes Isolat einer Art konzentrierten. Vor ihrer Entdeckung hatten wir angenommen, dass ein Individuum einer Art genügend Informationen in sich trug, um den Genominhalt dieser Art genau darzustellen. Aber das ist nicht richtig.
Diese Erkenntnis hat unsere Sicht auf unsere Nutzpflanzen verändert. Anstatt zu versuchen, eine einzelne Sorte (kultivierte Sorte) nur mithilfe ihres eigenen genetischen Pakets zu perfektionieren, bietet das Pangenom eine Möglichkeit, verlorene Kraft aus dem breiteren Genpool wiederherzustellen.
Im Jahr 2019 haben wir den Pangenom-Ansatz weiterentwickelt und die gesamter Genpool einer Nutzpflanze, einschließlich ihrer domestizierten Sorten – und ihrer wilden Verwandten. Viele wilde Verwandte domestizierter Nutzpflanzen existieren noch. Diese Pflanzen haben eine enorme genetische Vielfalt und beherbergen oft überlegene Gene oder Genvarianten (Allele), die bei Nutzpflanzen durch Domestizierung und Züchtung verloren gegangen sind.
Wir haben diesen Ansatz „Super-Pangenom“ genannt, um die Erfassung domestizierter und wilder Genpools zu ermöglichen.
Wie kann dies dazu beitragen, die Nahrungsmittelversorgung zu sichern?
Seit mehr als 10.000 Jahren domestiziert und züchtet der Mensch Nutzpflanzen gezielt. Doch auch wilde Verwandte haben sich im gleichen Zeitraum prächtig entwickelt.
Es gibt gute Gründe, warum diese wilden Verwandten nicht domestiziert wurden, vom schlechten Geschmack über die schwierige Lagerung bis hin zu geringen Erträgen. Was sie jedoch haben, sind wünschenswerte Merkmale in ihrem genetischen Code, die wir identifizieren, isolieren und wieder in die domestizierte Art einbringen können.
Sobald wir genetische Daten einer Art und ihrer wilden Verwandten haben, können wir mit der Suche nach besonders nützlichen Genen beginnen. Wir suchen nach Genen, die für die Anpassung an oder das Überleben von Umweltbelastungen verantwortlich sind, die sich in Zukunft wahrscheinlich noch verschärfen werden, wie etwa Dürre, salzhaltige Böden und extreme Temperaturen. Wir können Gene identifizieren, die für die Krankheitsresistenz verantwortlich sind, und feststellen, warum bestimmte Sorten andere wünschenswerte Eigenschaften wie besseren Geschmack oder höhere Erträge bieten.
Auf der ganzen Welt gibt es eine Reihe vielversprechender Forschungsprojekte, die diesen Ansatz nutzen. Amerikanische Forscher nutzen die Gene wilder Weinreben, um den Ertrag von domestizierte Trauben an chinesische Forscher, die ähnliche Arbeiten durchführen auf Tomaten.
Wir und unsere Kollegen konzentrieren uns auf die bescheidene Kichererbseeine sehr nahrhafte Hülsenfrucht aus besondere Bedeutung für Indiens 1,4 Milliarden Menschen. Kichererbsen nehmen wie andere Hülsenfrüchte Stickstoff aus der Luft auf und binden ihn im Boden, was die Fruchtbarkeit verbessert und hilft, die Emissionen von Lachgasein weniger bekanntes Treibhausgas.
Aber Kichererbsen fehlt es aufgrund mehrerer evolutionärer Engpässe, Domestizierung und selektiver Züchtung an genetischer Vielfalt. Dies führt bereits zu Problemen, da die geringe genetische Vielfalt die Arten anfälliger für Schädlinge und Krankheiten macht. Kichererbsenbauern in Westaustralien erinnern sich noch an den Ausbruch einer Pilzbefall was die Produktion in den späten 1990er Jahren fast zum Erliegen brachte und die Pflanze unbeliebt machte – auch wenn andere Staaten erweiterte Exporte.
Die Lösung: Blicken Sie auf die wilden Verwandten. In den Genomen von Verwandten wie Cicer echinospermumfanden wir mehrere vielversprechende Gene was dabei half, diesem Pilz zu widerstehen.
Mithilfe moderner Methoden – wie der genomgestützten Züchtung und der Genomeditierung – können diese Gene nun in domestizierte Arten integriert werden, um krankheitsresistente und ertragreiche Kichererbsensorten zu entwickeln.
Wenn wir erst einmal den gesamten Genbestand unserer wichtigsten Nutzpflanzen – sowohl der wilden als auch der kultivierten – erforscht und erfasst haben, wird es einfacher und schneller, diese wichtigen Pflanzen zu stärken – und sie mit den Genen auszustatten, die sie brauchen, um die Ungewissheiten der Zukunft zu überleben.
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