Forscher zeigen Potenzial für eine verbesserte Wassernutzungseffizienz in Freilandpflanzen auf

Laut einem Wasserbericht der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2019 ist das Wasserdefizit derzeit einer der wichtigsten einschränkenden Faktoren für die globale landwirtschaftliche Produktivität, ein Faktor, der durch den globalen Klimawandel noch verschärft wird. Infolgedessen haben Forscher weltweit daran gearbeitet, die Wassernutzungseffizienz von Nutzpflanzen zu verbessern, um besser mit Bedingungen der Wasserknappheit fertig zu werden.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Zeitschrift für experimentelle Botanikfand ein Team der University of Illinois, des Volcani Center (Agricultural Research Organization, Israel) und der University of Cambridge heraus, dass sie durch die Überexpression eines zuckerempfindlichen Enzyms namens Hexokinase in auf dem Feld angebauten Tabakpflanzen das intrinsische Wasser verbessern konnten -Nutzungseffizienz (iWUE) ohne Verringerung der Photosyntheseraten oder der Biomasseproduktion.

Tabak wurde als Modellpflanze verwendet, da er relativ einfach im Labor, im Gewächshaus und auf dem Feld zu verarbeiten ist. Die Ergebnisse sind bei dieser Kultur viel schneller zu sehen als bei Nahrungspflanzen, die schwieriger und zeitaufwändiger zu modifizieren und anzubauen sind. Daher wurde Tabak als erste Testpflanze ausgewählt, um zu sehen, ob ähnliche Ergebnisse nachgewiesen werden können. Nachdem die Forscher Erfolge in der Modellpflanze gezeigt haben, können sie die Entwicklungen bei Nahrungspflanzen wie Maniok, Kuherbse, Reis und Sojabohnen zuversichtlich widerspiegeln.

Diese Studie zeigt das Potenzial, Pflanzen mit konservativerem Wasserverbrauch während der gesamten Vegetationsperiode unter Feldbedingungen und moderater Wasserbeschränkung ohne signifikante Ertragseinbußen zu erzeugen. Für die Landwirte könnte dies den Wassermangel im Boden während der Vegetationsperiode verringern und die Abhängigkeit von der Bewässerung verringern.

Diese Arbeit ist Teil von Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), einem internationalen Forschungsprojekt, das darauf abzielt, die globale Lebensmittelproduktion durch die Entwicklung von Nahrungspflanzen zu steigern, die die Energie der Sonne effizienter in Lebensmittel umwandeln.

Während der Photosynthese öffnen Pflanzen winzige Poren in ihren Blättern, die Stomata genannt werden, um CO₂ aufzunehmen. Bei geöffneten Poren kann jedoch auch Wasser durch Transpiration entweichen. Dies lässt Pflanzen mit einem Kompromiss zwischen dem Verlust von zu viel Wasser zugunsten der Aufnahme von CO₂ zurück.

„Stomatasporen bestehen aus einem Paar Schutzzellen, die das Öffnen und Schließen der Poren steuern“, sagte Liana Acevedo-Siaca, die diese Studie während ihrer Zeit als Postdoktorandin in Illinois leitete. „Frühere Studien haben gezeigt, dass die genetische Manipulation von Signalelementen, die Stomabewegungen auslösen, wie die Überexpression von Arabidopsis-Hexokinase 1 (AtHXK1) in den Schließzellen, das Stomata-Schließen stimulieren und diesen Kompromiss für Pflanzen ausgleichen kann.“ Acevedo-Siaca arbeitet jetzt als Associate Scientist im Global Wheat Program am International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) in Mexiko.

Zuvor wurde gezeigt, dass die auf Schutzzellen ausgerichtete Expression von AtHXK1 die WUE in Nutzpflanzen sowie ihre Toleranz gegenüber Trockenheit und Salzstress verbessern kann, da Hexokinase den Poren signalisiert, dass genügend Zucker vorhanden ist, wodurch die Notwendigkeit entfällt, mehr CO₂ zu fixieren. Diese früheren Studien wurden jedoch nur an Pflanzen ausgewertet, die in kontrollierten Umgebungen wie Gewächshäusern angebaut wurden.

„Um unser Verständnis der potenziellen Vorteile von auf Schließzellen gerichtetem AtHXK1 zu verbessern, verwendete unsere Studie zwei homozygote transgene Linien, die AtHXK1 exprimieren, und eine Linie, die eine auf Schließzellen gerichtete Überexpression von AtHXK1 aufwies, die im Vergleich zu Wildtyp-Feldzüchtungen bewertet wurden Tabak, um WUE auf Merkmale im Zusammenhang mit Photosynthese und Ertrag zu testen“, sagte Johannes Kromdijk, Assistenzprofessor an der Universität Cambridge, der diese Studie 2018 begonnen hat.

„Unsere Ergebnisse haben bestätigt, dass die konstitutive Überexpression von AtHXK1 die Produktivität verringert. Wir haben auch gezeigt, dass eine auf Schließzellen ausgerichtete Überexpression von AtHXK1 das iWUE im Vergleich zum Wildtyp verbessern könnte, ohne die CO₂-Assimilation negativ zu beeinflussen. Dennoch war dieser Unterschied stark abhängig vom Blattalter und die jüngsten Regenfälle könnten Leistungsunterschiede beseitigen.“