Mit Hilfe innovativer statistischer Methoden erforschen Forscher das komplexe Zusammenspiel von Lebenszyklus, Umweltfaktoren und genetischer Information am Beispiel von Weizen.
Getreidepflanzen wie Weizen reagieren empfindlich auf den Klimawandel. Viele Studien zeigen, dass ihr Ertrag mit steigenden Temperaturen und zunehmenden Extremwetterereignissen abnimmt.
Ein Team um den Agrarwissenschaftler Prof. Dr. Tsu-Wei Chen von der Humboldt-Universität zu Berlin hat eine neue statistische Methode entwickelt, mit der die Forscher nachweisen konnten, dass es im Lebenszyklus von Pflanzen bestimmte Zeitfenster gibt, in denen Umwelteinflüsse auftreten Variablen wie Temperaturen oder Niederschlag haben einen besonders großen Einfluss auf die späteren Erträge.
Wie hoch die Ertragseinbußen bei ungünstigen Umweltbedingungen sind, hängt auch von der genetischen Ausstattung der einzelnen Sorten ab. Diese Erkenntnisse können daher wichtige Erkenntnisse für die zukünftige Züchtung stressresistenter Weizensorten liefern. Die Forscher veröffentlicht ihre Ergebnisse in Naturpflanzen.
Der Klimawandel verändert die Anbaubedingungen und führt bereits jetzt zu Ernteausfällen
Winterweizen ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit und daher von entscheidender Bedeutung für die Ernährungssicherheit. Es gibt viele Faktoren, die darüber entscheiden, wie groß die Ernte am Ende ausfällt, etwa die Temperatur und die Niederschlagsmenge, die Qualität des Bodens, die Art des Anbaus oder die verwendete Sorte. Der Klimawandel verändert die Anbaubedingungen und führt bereits jetzt zu großen Ernteausfällen. Landwirte müssen sich darauf einstellen und brauchen neue Lösungen.
„Es ist bereits bekannt, dass Winterweizen während der Blütezeit, etwa Ende Mai bis Anfang Juni, sehr empfindlich auf hohe Temperaturen reagiert“, erklärt Tsu-Wei Chen. Steigen die Temperaturen in diesem Zeitraum auf über 30 Grad Celsius, sinkt die Befruchtungsrate aufgrund der Schädigung der Pollen rapide.
Die Pflanze bildet dann nur noch wenige Kerne und der Ertrag bleibt gering. Im Lebenszyklus der Weizenpflanze gibt es sehr viele dieser besonderen Zeitfenster, in denen sie empfindlich auf verschiedene Umwelteinflüsse reagiert. In diesen Zeitfenstern ist es schwierig, das Zusammenspiel von Umwelt, Genotyp und Entwicklungsphase zu untersuchen.
Neue Methode macht komplexe Zusammenhänge sichtbar
„Allein in Deutschland gibt es Hunderte Weizensorten, die alle unterschiedliche Eigenschaften haben“, erklärt Tsu-Wei Chen. „Es ist nahezu unmöglich, alle Sorten in Feldversuchen detailliert zu charakterisieren, um alle Stärken und Schwächen sowie die Wechselwirkungen mit der Umwelt zu ermitteln.“
Um diese Zusammenhänge dennoch besser zu verstehen, entwickelten die Forscher eine statistische Methode und wandten sie auf Daten aus Feldversuchen mit 220 verschiedenen Winterweizensorten an, die in drei aufeinanderfolgenden Saisons an sechs Teststandorten in ganz Deutschland angebaut wurden.
Für jeden Standort, jede Sorte und jedes Versuchsjahr wurden Bodendaten sowie die bestimmenden Ertragskomponenten, also Körner pro Ähre, Ähreanzahl und Tausendkorngewicht, ermittelt. Das Forscherteam kombinierte diese Daten mit Wachstumsmodellen und ausgewählten Wetterdaten aus der jeweiligen Region für insgesamt 81 verschiedene Zeitfenster pro Saison.
Mit dieser neuen statistischen Methode identifizierten die Forscher nicht nur alle bereits bekannten sensiblen Entwicklungsphasen, sondern ermittelten auch neue Schlüsselmomente im Pflanzenlebenszyklus. Außerdem konnten sie ermitteln, welche Umwelteinflüsse zu diesen Zeiten entscheidend sind und wie stark die einzelnen Sorten darauf reagieren.
Sie fanden zum Beispiel heraus, dass die Nachttemperatur vor der Blüte die Korngröße bestimmt, dass Niederschläge auch nach der Blüte noch die Anzahl der Ähren erhöhen und dass während der späten Kornfüllphase Ende Juli die Intensität der Sonneneinstrahlung Einfluss auf die Korngröße hat Gewicht der reifen Kerne.
Züchtung stressresistenter Sorten
„Wir haben nicht nur neue sensible Zeitfenster entdeckt, sondern auch Fälle von Stressresistenz bei bestimmten Sorten“, sagt Tsu-Wei Chen. Diese Erkenntnisse sind besonders wichtig für die zukünftige Züchtung, um Sorten und genetische Ressourcen zu identifizieren, die weniger empfindlich auf Umweltschwankungen reagieren und so zuverlässig stabile Erträge liefern können.
Darüber hinaus ermöglichen die neuartigen Methoden die Vorhersage von Getreideernteerträgen unter zukünftigen Klimabedingungen. „Unsere Ergebnisse eröffnen neue Wege für zukünftige Forschung und werfen einige offene Fragen auf. Wir müssen beispielsweise erforschen, welche physiologischen Prozesse und Mechanismen die Empfindlichkeit regulieren und welche genetischen Regionen und Gene damit verbunden sind“, erklärt der Forscher.
Mehr Informationen:
Khadija Sabir et al, Stadienspezifische Wechselwirkungen zwischen Genotyp und Umgebung bestimmen Ertragskomponenten in Weizen, Naturpflanzen (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01516-8
Bereitgestellt von der Humboldt-Universität zu Berlin