Die Untersuchung des Rasengrases der Weltmeisterschaft kann dazu beitragen, dass die Pflanzen mit weniger mehr Ertrag erzielen

Gras ist bekanntlich widerstandsfähig. Aber Paspalum vaginatum, besser bekannt als Seashore Paspalum, kann Belastungen tolerieren, die vielfältig und tödlich genug sind, um mit Kamelen und Kakteen zu konkurrieren.

Salzgehalt? Es ist immer noch sein Salz wert. Dürre? Nicht durstig. Hitze? Kein Schweiß. Kalt? Es kann chillen.

Wie wäre es, wenn 22 Fußballspieler bei der Weltmeisterschaft 2022 im Wüstenklima des Nahen Ostens sprinten, kicken und rutschen? Spiel weiter.

Eine kommerzielle Sorte von Strand-Paspalum hat jeden Platz in Katar gepolstert. Dort hat es jedem stählernen Schritt von Messi, Mbappé und Neymar standgehalten, jedem sonnendurchfluteten Tag mit Temperaturen, die in die hohen 80er Fahrenheit kriechen.

Dank einer neuen Studie, die von der University of Nebraska-Lincoln geleitet und in veröffentlicht wurde NaturkommunikationSeashore Paspalum könnte bald ein weiteres Ziel unterstützen: den Anbau von Pflanzen, die mehr Nahrung mit weniger Düngemitteln liefern, die Kosten für Landwirte, Ökosysteme und Trinkwasser auferlegen.

Der weltweite Einsatz von Düngemitteln, insbesondere von Stickstoff und Phosphor, die für das Pflanzenwachstum unerlässlich sind, ist seit Mitte des 20. Jahrhunderts sprunghaft angestiegen, als ein Teenager Pelé Brasilien zu seinem ersten Weltmeistertitel führte. Wie sich herausstellt, benötigt Seashore Paspalum auch nicht viel von diesen Nährstoffen. Das unterscheidet es von einigen seiner überraschend nahen Verwandten: Mais und Sorghum, neben anderen Graspflanzen.

Nach der Sequenzierung des vollständigen genetischen Bauplans des Winterhartgrases hat ein Forschungsteam mehrerer Institutionen die Trickkiste hinter der Fastentechnik der Pflanze entdeckt. Darüber hinaus gelang es den Forschern, diese Tricks bei Maissämlingen nachzubilden, die darauf reagierten, indem sie schneller und größer wuchsen als andere unveränderte Sämlinge, denen die Nährstoffe entzogen wurden.

„Endlich beginnen wir zu verstehen, was diese Pflanze so widerstandsfähig macht“, sagte James Schnable, einer der Autoren der Studie und Charles O. Gardner Professor für Agronomie in Nebraska.

Die Art begann Schnable und seine Kollegen nach einer beeindruckenden Vorstellung im Nebraska Innovation Greenhouse wirklich zu faszinieren, wo es sich anscheinend nicht darum kümmerte, dass ihre Hausmeister sie vernachlässigten.

„Es gab eine Zeit, in der einige Monate lang niemand daran dachte, die Paspalum-Pflanze zu gießen“, sagte Schnable. „Aber die Pflanze war völlig in Ordnung. Tatsächlich wächst sie normalerweise so schnell, dass sie versucht, in die Töpfe benachbarter Pflanzen einzudringen, und der Gewächshausmanager muss mich oder die Leute in meinem Labor anschreien, dass sie herunterkommen und sie schneiden sollen. „

Auch Guangchao Sun, Doktorand und ehemaliger Postdoc in Nebraska, wurde aufmerksam. Er beschloss, die Widerstandsfähigkeit von Seashore Paspalum mit einem Experiment auf die Probe zu stellen, indem er es mehrere Wochen lang unter verschiedenen Bedingungen zusammen mit Mais und Sorghum anbaute. Als Mais und Sorghum Stickstoff oder Phosphor verweigert wurden, zeigte sich ihre verkümmerte Entwicklung. Die Paspalum an der Küste wuchs unterdessen „glücklich weiter“.

Glücklicherweise arbeitete das Schnable-Labor auch mit dem Joint Genome Institute des Energieministeriums, der University of Georgia und dem HudsonAlpha Institute for Biotechnology an der Kartierung des Genoms der Art. Diese Fortschritte machten den Weg frei, um die Verträglichkeit von Seashore Paspalum genauer zu untersuchen.

Analysen seiner Gene und Genexpression ergaben später, dass das Gras auf einen Mangel an Nährstoffen reagiert, indem es seine Produktion eines zuckerhaltigen Moleküls namens Trehalose ungefähr verdoppelt. Obwohl Mais und Sorghum auf natürliche Weise etwas von diesem Molekül produzieren, konnte das Team bei den beiden nährstoffarmen Pflanzen keine Veränderung in der Produktion feststellen.

Während der Befund darauf hindeutete, dass Trehalose eine zentrale Rolle bei der Widerstandsfähigkeit der Pflanze spielte, drängten Sun und das Team auf Beweise, die eine höhere Beweislast erfüllen könnten. „Was wäre,“ dachten sie, „wir könnten Trehalose in Mais erhöhen und dann die Ergebnisse beobachten?“ Aber die Anwendung von Trehalose direkt auf der Pflanze erwies sich als unwirksam.

„Also dachte ich genau umgekehrt darüber nach“, sagte Sun, der jetzt als Bioinformatiker an der Mayo-Klinik arbeitet. „Wenn ich die Pflanzen nicht mit Trehalose versorgen kann, was wäre, wenn ich seinen Abbau in diesen Pflanzen stoppen würde?“

Er wandte sich einem Antibiotikum zu, das das für den Abbau von Trehalose verantwortliche Enzym hemmen kann. Der Plan funktionierte: Das Eindämmen des Enzyms kurbelte den Trehalosespiegel im Mais an. Innerhalb weniger Tage bemerkte er, dass die Pflanzen stärker wuchsen – unabhängig davon, ob ihr Nährstoffe entzogen wurden. Die Ergebnisse waren für Sun so verblüffend, dass er das Experiment bald mehrmals wiederholte. Der Mais reagierte jedes Mal auf die gleiche Weise.

Aber das Team hatte Grund zu der Annahme, dass die Toleranz auch auf Autophagie beruhte – was Schnable „ein Recyclingprogramm“ in Pflanzenzellen nannte, das alte oder beschädigte Proteine ​​auseinandernimmt und sie dann wieder zu frischen, funktionierenden Proteinen zusammensetzt. Schließlich entwickelten die Forscher eine Maismutante, die nicht in der Lage war, die Endphase dieses Recyclings zu durchlaufen. Selbst mit einem Überschuss an Trehalose konnte die Mutante nicht gedeihen, wenn ihnen Stickstoff oder Phosphor entzogen wurden, was die Autophagie als einen ebenso wesentlichen Aspekt der Widerstandsfähigkeit kennzeichnet.

„Es gibt noch andere Dinge zu tun“, sagte Sun, bevor das Team das vollständige Bild der Weltklasse-Toleranz von Seashore Paspalum auflöst. Er hält es jedoch für eine Frage der Zeit, bis Forscher die Gene identifizieren, die für höhere Trehalose kodieren.

„Und wenn Sie diese genomische Region in andere Elite-Maissorten (einführen) könnten – sagen wir, Mais, der einen hohen Ertrag hat, aber sehr empfindlich auf Nährstoffstress reagiert – vielleicht bekommen Sie jetzt sowohl einen hohen Ertrag als auch eine hohe Widerstandsfähigkeit“, sagte er.

Für den Moment sagte Sun, er sei froh, sich an der Leistung des Teams zu sonnen. In wahrer WM-Manier brachte die Nachricht, dass die Studie des Teams zur Veröffentlichung angenommen worden war, ein paar Tränen und ein paar Umarmungen mit sich. Und warum nicht? Die Qualifikation für die Weltmeisterschaft 2022 hat zwar 2019 begonnen, aber das Forschungsteam hatte sein Projekt ein Jahr zuvor begonnen.

„Das war eine lange, lange Reise“, sagte Sun. „Ehrlich gesagt hat es auch meine Widerstandsfähigkeit erhöht.“