Gerste besitzt einen unbestimmten Blütenstand vom Typ „Ähren“, der in einem zweistichigen Muster entlang seiner Mittelachse (Rachis) grundlegende Blütenstrukturen, sogenannte Ährchen, bildet. Jeder Spindelknoten in der Gerstenähre produziert drei (ein zentrales und zwei seitliche) Ährchen.
Das Ende der Ährchen-Primordien-Initiierung entlang der Rhachis markiert das Stadium des maximalen Ertragspotenzials. Anschließend beginnt die Meristemkuppel des Blütenstandes zu kollabieren, gefolgt von einer allmählichen basipetalen Degeneration der Ährchen-Primordien und Ährchen, bis eine bestimmte Position entlang der Ähre erreicht ist.
„Wir zeigen, dass bis zu 50 % der initiierten Blütenprimordien vor der Blüte abgebrochen werden, was ein ungenutztes Ertragspotenzial darstellt“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, Leiter der Forschungsgruppe Pflanzenarchitektur am IPK. „Das Verständnis der molekularen Grundlagen der Spike-PTD kann daher dazu beitragen, den Kornertrag bei Getreide zu verbessern.“
Eine Studie zu diesem Thema ist veröffentlicht in Die Pflanzenzelle.
Aufgrund seiner quantitativen Natur und Umweltempfindlichkeit stellt die Blütenstands-PTD einen komplexen Mechanismus dar, der die endgültige Kornzahl beeinflusst. Dieser Mechanismus scheint vorhersehbar und vererbbar zu sein und steht im Einklang mit einem Entwicklungsprogramm.
Photosynthese, Begrünung unreifer Ähren und Energiestoffwechsel scheinen maßgeblich zum Wachstum und zur Differenzierung der Ährchen beizutragen und waren auf die basalen und zentralen Ährchenteile beschränkt. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass die degenerierende apikale Spike-Region einem Zucker- und Aminosäuremangel sowie einer verstärkten Biosynthese und Signalübertragung von Abscisinsäure unterliegt.
„Darüber hinaus haben wir eines der apikal exprimierten Transkriptionsfaktor-Gene, Gerste GRASSY TILLERS1 (HvGT1), ein Ortholog von Mais GT1, als Wachstumsrepressor der apikalen Ährchenentwicklung funktionell validiert“, betont Nandhakumar Shanmugaraj, Erstautor der Studie.
Ortsspezifische Hvgt1-Mutanten in Gerste verzögerten den Beginn der Spike-PTD und produzierten differenziertere apikale Organe, was zu deutlich fruchtbareren Ährchen/Blüten und einer erhöhten Endährchenzahl führte. „Dies ist der erste Bericht über die molekularen Grundlagen der Gerstenblütenstands-PTD; hier liefern wir jedoch nicht nur ein molekulares Gerüst für Gerste, sondern auch für verwandte Getreidearten des Triticeae-Stammes (z. B. Weizen, Roggen)“, fügte Shanmugaraj hinzu.
„Wir glauben, dass die molekulare Aufklärung von PTD in Gerste auch zukünftige Forschungsrichtungen zur Evolution verwandter Gene zur Wachstumsunterdrückung in anderen Pflanzen außerhalb von Nutzpflanzenarten anregen wird“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch. Da Gerste zu den wichtigsten Getreidepflanzen der Welt gehört, kann eine bessere Nutzung ihres Spitzenertragspotenzials zur weltweiten Ernährungssicherheit beitragen und damit direkt zur Bekämpfung von Hungersnöten aufgrund des Klimawandels sowie von Natur- und Kriegskatastrophen beitragen.
Mehr Informationen:
Nandhakumar Shanmugaraj et al., Mehrschichtige Regulierung der entwicklungsbedingt programmierten Prä-Anthese-Spitzendegeneration des Gerstenblütenstandes, Die Pflanzenzelle (2023). DOI: 10.1093/plcell/koad164
Bereitgestellt vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung