Die Modifikation von Blütenständen mit höherer Kornkapazität ist für die Getreideproduktion von entscheidender Bedeutung. Ein immer wiederkehrendes Ziel ist die Auswahl von Blütenständen mit mehr Verzweigungen oder floralen Strukturen. Prominente Beispiele umfassen Gene, die die Blütenidentität oder die Meristemdeterminiertheit beeinflussen, für die natürliche oder induzierte Varianten die Blütenanlagenzahl grundlegend verändern. Bei gemäßigten Getreidekulturen wie Weizen und Gerste können jedoch übermäßige Blütenstrukturen aufgrund der unbestimmten Natur von Meristemen zu einer Degenerationsstrafe führen. Andererseits kann die Manifestation dieses Fortpflanzungspotentials durch Umweltschwankungen wie Licht, Temperatur und Ernährung verstärkt werden. Die Erhöhung des Anteils an überlebenden Blüten/Ährchen kann somit den Kornertrag in Getreide verbessern.
Jetzt enthüllten IPK-Forscher einen bisher unerkannten Mechanismus, durch den Signale im Gefäßsystem des Gerstenblütenstands die Plastidendifferenzierung und die Nährstoffsignalisierung steuern und dadurch das Wachstum des heterotrophen Blütenmeristems und den Fortpflanzungserfolg aufrechterhalten. Ihre Ergebnisse belegen, dass die zirkadiane Uhr des Gefäßsystems für einen rechtzeitigen Wechsel vom Anfangszustand der Blütenanlagen zum Wachstumszustand erforderlich ist.
Durch die groß angelegte Dissektion von floralen Meristemen und die Phänotypisierung zeigen die Forscher, dass etwa 40 % der initiierten floralen Primordia Körner setzen, während der Rest abgebrochen wird, was ein ungenutztes Ertragspotenzial darstellt. „Wir zeigen weiter, dass die Anzahl der initiierten Blütenanlagen weitgehend von Genen zur Blütezeit bestimmt wird, aber das Schicksal der distalen Blütenanlagen von mindestens drei unabhängigen quantitativen Merkmalsloci kontrolliert wird“, sagt Dr. Yongyu Huang, Erstautor der Studie .
„Wir haben zum ersten Mal eine vaskulär exprimierte CCT-Motivfamilie Gen (HvCMF4), das für das Wachstum der Ährchenanlagen und eine erfolgreiche Bestäubung erforderlich ist“, sagt Dr. Yongyu Huang. Darüber hinaus zeigte das Forschungsteam dies HvCMF4 funktioniert speziell nach der Initiierung von Ährchenanlagen durch die Verdrahtung der zirkadianen Uhr von den Blütenstandsgefäßen, um das Ergrünen des benachbarten Gewebes zu steuern; und damit autotrophe Energiegewinnung. „Dieser Mechanismus zur Bestimmung der Kornzahl wurde zuvor noch nicht beschrieben und scheint einzigartig zu sein Triticeae Art, die eine frühe Begrünung der Blütenstände während der Ährcheninitiierung und -differenzierung aufweist.“
„Unsere Studie zeigt einen neuen Weg zur Steigerung des Kornertrags auf und zeigt die Möglichkeit auf, die Anzahl der Körner nicht nur durch die Gewinnung von mehr Blütenanlagen zu erhöhen, sondern auch durch deren Transport bis zur Reife“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, Leiter der IPK-Forschungsgruppe „Pflanze Architektur“ und Professor für Entwicklungsgenetik von Nutzpflanzen an der Martin-Luther-Universität Halle. „Da Gerste zu den wichtigsten Getreidekulturen der Welt gehört (Nummer vier nach Reis, Mais und Weizen), kann eine bessere Ausschöpfung ihres Getreideertragspotenzials somit zur Welternährungssicherheit beitragen und damit direkt dazu beitragen, die durch den Klimawandel verursachten Hungergefahren zu bekämpfen, Natur- oder Kriegskatastrophen.“
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Yongyu Huang et al, Ein molekulares Gerüst zur Kornzahlbestimmung in Gerste, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add0324. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0324
Zur Verfügung gestellt vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung