Forscher haben zum ersten Mal gezeigt, wie ein Schlüsselgen in Pflanzen es ihnen ermöglicht, ihre Energie effizienter zu nutzen, mehr Wurzeln zu bilden und mehr Wasser und Nährstoffe aufzunehmen.
Ein internationales Team von Pflanzenwissenschaftlern unter der Leitung der Penn State University und in Zusammenarbeit mit der University of Nottingham hat dieses neuartige regulatorische Gen (benannt bHLH121) entdeckt, das es Maiswurzeln ermöglicht, mehr Wasser und Nährstoffe aufzunehmen. Die Ergebnisse wurden im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Science.
Das Gen steuert die Bildung von Lufträumen zwischen lebenden Wurzelgeweben (bezeichnet als kortikales Aerenchym der Wurzel). Das Ersetzen eines großen Prozentsatzes der Wurzelzellen durch Lufträume spart der Pflanze viel Energie, die sonst benötigt wird, um all diese Wurzelzellen zu ernähren. Dadurch wird der Stoffwechsel der Wurzeln effizienter, sodass sie die eingesparten Ressourcen nutzen können, um mehr Wurzeln zu bilden, den Boden effektiver zu erkunden und mehr Wasser und Nährstoffe aufzunehmen.
Diese Entdeckung könnte zur Züchtung von Nutzpflanzen führen, die Trockenheit und stickstoffarmen Bodenbedingungen standhalten und letztendlich die globale Ernährungsunsicherheit verringern, schlagen die Forscher vor.
„Die Identifizierung dieses Gens und seiner Funktionsweise wird es uns ermöglichen, widerstandsfähigere Nutzpflanzen zu züchten, die den Wasser- und Nährstoffstressbedingungen infolge des Klimawandels standhalten können“, sagt Rahul Bhosale, Assistenzprofessor für funktionale Genomik von Nutzpflanzen an der School of Biosciences and BBSRC Discovery Fellow.
Das Forschungsteam verwendete leistungsstarke Bildgebungswerkzeuge, die in früheren Forschungsarbeiten an der Penn State entwickelt wurden und Zellen in Tausenden von Wurzeln schnell maßen. Entscheidend für diesen Ansatz war ein bildgebendes Verfahren namens Laser-Ablations-Tomographie. Dieser hochmoderne Ansatz steht jetzt auch an der University of Nottingham zur Verfügung.
Hannah Schneider, Assistenzprofessorin für Pflanzenphysiologie an der Wageningen University & Research, Niederlande, sagte: „Wir haben die ersten Feldversuche, die in diese Studie einflossen, ab 2010 durchgeführt und mehr als 500 Maislinien an Standorten in Pennsylvania, Arizona, Wisconsin und South angebaut Afrika“, sagte sie. „Ich habe an all diesen Orten gearbeitet. Wir haben überzeugende Beweise dafür gesehen, dass wir ein Gen gefunden haben, das mit dem kortikalen Aerenchym der Wurzel assoziiert ist.“
Diese Forschung ergab, dass mutierte Maislinien, denen das bHLH121-Gen fehlt, eine reduzierte Wurzelluftraumbildung zeigten. Im Gegensatz dazu verursachte die Überexpression von bHLH121 mehr Luftraumbildung.
Die Charakterisierung dieser Linien unter suboptimaler Wasser- und Stickstoffverfügbarkeit an mehreren Standorten ergab, dass das bHLH121-Gen für die Bildung von Wurzellufträumen erforderlich ist, und bietet Pflanzenzüchtern ein neues Werkzeug zur Auswahl von Sorten mit verbesserter Bodenerkundung und damit Ertrag unter suboptimalen Bedingungen.
„Diese Ergebnisse sind das Ergebnis vieler Menschen bei Penn State und darüber hinaus, die über viele Jahre hinweg mit uns zusammengearbeitet haben“, sagte er. „Wir entdeckten die Funktion des Aerenchym-Merkmals und dann das damit verbundene Gen, und es entstand aufgrund von Technologien, die hier an der Penn State entwickelt wurden, wie z Wir haben all das in dieser Arbeit zusammengeführt“, sagt Professor Jonathan Lynch, Forschungsleiter an der Penn State.
Die Ergebnisse sind signifikant, fuhr Lynch fort, denn die Suche nach einem Gen hinter einem wichtigen Merkmal, das Pflanzen zu einer besseren Dürretoleranz und einer besseren Stickstoff- und Phosphoraufnahme verhelfen wird, ist angesichts des Klimawandels von großer Bedeutung.
„Das sind superwichtige Eigenschaften – sowohl hier in den USA als auch auf der ganzen Welt“, sagte er. „Dürren sind das größte Risiko für Maisbauern und verschärfen sich mit dem Klimawandel, und Stickstoff ist der größte Kostenfaktor für den Maisanbau, sowohl aus finanzieller als auch aus ökologischer Sicht. Die Züchtung von Maislinien, die den Nährstoff effizienter aufnehmen, wäre eine wichtige Entwicklung. “
Mehr Informationen:
Hannah M. Schneider et al, Der Transkriptionsfaktor bHLH121 reguliert die kortikale Aerenchymbildung der Wurzel in Mais, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2219668120