Der gemeinsame Anbau mehrerer Nahrungspflanzen ist eine nachhaltigere landwirtschaftliche Praxis, die hochproduktive Wildpflanzengemeinschaften nachahmt. Dieser als Zwischenfruchtanbau bekannte Prozess nutzt die komplementären Merkmale verschiedener Arten von Nutzpflanzen, um die Produktion zu maximieren und den Bedarf an Düngemitteln und anderen umweltschädlichen Praktiken zu minimieren. Zum Beispiel bauen Ureinwohner in Nordamerika seit langem Mais, Bohnen und Kürbis zusammen an, um den Ertrag jeder Pflanze zu maximieren und den Bedarf an Bewässerung oder Dünger zu reduzieren.
„Die meisten kommerziellen Pflanzen wurden jedoch auf Eigenschaften gezüchtet, die sie in Einzelkulturen hochproduktiv machen“, erklärt die Hauptautorin Laura Stefan, eine ehemalige Ph.D. Studentin an der ETH Zürich und nun Postdoktorandin bei Agroscope, dem Institut für Agrarforschung der Eidgenossenschaft. „Diese Pflanzen sind möglicherweise nicht gut für den Anbau in Mehrfruchtsystemen geeignet, was die Vorteile des Mischanbaus verringern kann.“
Um mehr über die Anpassungsfähigkeit verschiedener Nutzpflanzen zu erfahren, baute das Team auf kleinen Parzellen Weizen-, Hafer-, Linsen-, Flachs-, Leindotter- und Korianderarten an. Die Parzellen umfassten 13 Kombinationen von zwei Arten, vier Mischungen von vier verschiedenen Arten, Pflanzen, die einzeln oder in Einzelartenparzellen, in gedüngten oder ungedüngten Parzellen wuchsen. Das Team wiederholte die Experimente in drei aufeinanderfolgenden Jahren, wobei jedes Jahr Samen verwendet wurden, die von den Parzellen des Vorjahres gesammelt wurden, um die generationsbedingten Auswirkungen des Anbaus in verschiedenen Systemen zu bewerten. Im dritten Jahr maßen sie die Eigenschaften und die Produktivität der Pflanzen.
Sie fanden heraus, dass Pflanzen, die zwei Generationen lang in derselben Umgebung mit mehreren Nutzpflanzen angebaut wurden, sich angepasst haben, um weniger zu konkurrieren und mehr miteinander zu kooperieren. Der Ertragsvorteil dieser Mehrartenkulturen gegenüber Monokulturen wurde jedoch nur in gedüngten Parzellen gesteigert. Über zwei Generationen hinweg wuchsen Pflanzen, die entweder in Monokulturen oder Parzellen mit gemischten Arten zusammengewachsen waren, höher. Sie produzierten auch „billigere“ oder dünnere Blätter, was auf eine Wachstumsstrategie hinweist, die mit einer schnellen Biomasseproduktion verbunden ist.
„Unsere Studie zeigt, dass sich einjährige Nutzpflanzen innerhalb von nur zwei Generationen rasch kooperativ anpassen, aber ohne Dünger führt dies nicht zu höheren Ertragsvorteilen“, sagt Co-Autorin Nadine Engbersen, die als Doktorandin an der Studie mitgearbeitet hat. Student am Institut für Agrarwissenschaften der ETH Zürich, Schweiz. „Unerwarteterweise haben die Pflanzen alle ähnliche Eigenschaften, anstatt sich darauf zu spezialisieren, eine einzigartige Nische zu füllen.“
Die Autoren schlagen vor, dass der kurze Zeitrahmen der Studie – über nur drei Jahre – erklären könnte, warum keine weitere Differenzierung stattfand. Es ist unwahrscheinlich, dass während dieser Zeit viele genetische Veränderungen stattgefunden haben. Bei den Arten mit bestehender genotypischer Variation könnte jedoch eine genetische Selektion bestimmter Genotypen stattgefunden haben. Darüber hinaus könnten epigenetische Modifikationen, die Gene ein- oder ausschalten, einige der beobachteten Pflanzenanpassungen erklären. Mikroben oder Nährstoffressourcen, die über Samen von einer Pflanzengeneration zur nächsten weitergegeben werden, können ebenfalls einige dieser schnellen Anpassungen erklären.
Längerfristige Studien können mehr Anpassungen beobachten, die durch genetische Mutationen oder genetische Rekombination, die Neuanordnung pflanzlicher DNA-Sequenzen, verursacht werden. Die aktuellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die selektive Züchtung zu Merkmalen führen könnte, die die Zusammenarbeit und den Ertrag in Parzellen mit mehreren Arten optimieren.
„Unsere Ergebnisse haben wichtige Implikationen für den Übergang zu einer stärker diversifizierten Landwirtschaft“, schlussfolgert Seniorautor Christian Schöb, Leiter der Gruppe Agrarökologie, zuvor an der ETH Zürich und jetzt an der Universität Rey Juan Carlos. „Sie schlagen vor, Pflanzen zu züchten, die in Parzellen mit gemischten Arten wachsen, um die Erträge weiter zu verbessern und den Bedarf an Düngemitteln und anderen schädlichen Praktiken zu reduzieren.“
Die Studie wurde veröffentlicht in eLife.
Laura Stefan et al, Schnelle transgenerationale Anpassung als Reaktion auf Mischkulturen reduziert den Wettbewerb, eLife (2022). DOI: 10.7554/eLife.77577