Neue Sensortechniken können Dürretoleranz bei alten Nutzpflanzen feststellen und könnten als Grundlage für neue Züchtungsprogramme dienen

Dürre ist die verheerendste Umweltbelastung, der Landwirte weltweit ausgesetzt sind. Mit dem zusätzlichen Druck des Klimawandels Dürrejahre sind weniger vorhersehbar, häufiger und schwerwiegender geworden.

Wasser ist also nicht nur von grundlegender Bedeutung für die Produktion von ausreichend Nahrungsmitteln zur Ernährung der Weltbevölkerung – 9,7 Milliarden Menschen bis 2050– deshalb müssen wir die Ernteerträge steigern und dabei weniger Wasser verbrauchen.

Der Schlüssel zu nachhaltiger Landwirtschaft könnte im Erbe wilder Verwandter wichtiger Nutzpflanzen wie Weizen und Gerste liegen. Diese unterausgenutzten genetischen Schätze bergen Stresstoleranzmechanismen, die durch Generationen natürlicher Selektion unter rauen Bedingungen geformt wurden.

Forscher haben wilde Verwandte schon lange als Quelle der Stresstoleranz bei genetische Studienaber die meisten dieser Entdeckungen sind Zufall oder selten.

Zwischen der Struktur und Physiologie kommerziell genutzter Nutzpflanzensorten und ihren wilden Verwandten bestehen so große Unterschiede, dass herkömmliche Screeningmethoden für die Identifizierung, Analyse und Integration wilder Nutzpflanzen in Zuchtprogramme nicht ausreichen.

Unser Forschungveröffentlicht in Neuer Phytologeetabliert einen systematischen Ansatz unter Verwendung von Hochdurchsatz- und nichtinvasiven Bildgebungsverfahren, um zu entscheiden, welche Wildlinien vorteilhafte Eigenschaften für die Verbesserung von Nutzpflanzen aufweisen und für die Züchtung in Betracht gezogen werden sollten, wobei man sich von Zufallsentdeckungen abwendet.

Ein Blick über das bloße Auge hinaus

Bis vor kurzem bestand die beste Methode zur Ermittlung des Ertrags von Nutzpflanzen in großflächigen Feldversuchen darin, unterschiedliche Pflanzensorten anzupflanzen und diese dann nach ihrem Aussehen und ihrem Kornertrag zu bewerten.

Wilde Verwandte hingegen neigen dazu, ihre Samen abzuwerfen, wenn sie voll ausgereift sind. Daher ist es schwierig, sie anhand ihres Kornertrags zu beurteilen. Züchter überlegen es sich deshalb oft zweimal, bevor sie mit ihnen arbeiten.

Innovative Fernerkundungstechnologien verändern derzeit die Art und Weise, wie wir den Ertrag von Nutzpflanzen beschreiben. Es ist, als ob wir über das hinaussehen, was das bloße Auge wahrnehmen kann, und Signale aus den vielen Lichtwellen erkennen, die Pflanzen vom Sonnenlicht reflektieren oder als Fluoreszenz oder Wärme aussenden.

Wärme wird in Form von Strahlung bei Wellenlängen abgegeben, die außerhalb der für den Menschen sichtbaren Wellenlänge liegen, aber mit Wärmedetektoren gemessen werden können.

Das reflektierte Sonnenlicht liefert eine Fülle von Informationen darüber, wie effizient Pflanzen Photosynthese; unter Verwendung von Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser wird Sauerstoff und Energie in Form von Zucker erzeugt. Dies kann mithilfe von hyperspektralen Bildsensoren, die Informationen aus der gesamten elektromagnetisches Spektrum in Hunderten oder Tausenden von schmalen Spektralbändern.

Obwohl die Untersuchung von Pflanzenmerkmalen mittels Fernerkundung bereits weit verbreitet ist, verstärken wir diese Methode, indem wir untersuchen, wie effizient die Pflanzen Wasser nutzen, und diese Informationen mit Hyperspektral- und Wärmebildtechnologien kombinieren.

Wenn wir die Mechanismen verstehen, mit denen alte Nutzpflanzen auf Temperaturschwankungen reagieren, können wir unerforschte Möglichkeiten für die Pflanzenzucht entdecken und unsere Forschung zielgerichteter gestalten.

Das letztendliche Ziel besteht darin, aus den an die Umwelt angepassten Wildlinien neue kommerzielle Sorten zu entwickeln und so einen Weg für eine nachhaltige Landwirtschaft zu ebnen, indem die derzeitige Hürde überwunden wird, die bei der Bestimmung der Wildlinien mit ungenutzten Dürreanpassungseigenschaften entsteht.

Dies ist oft schwierig zu bestimmen, da die erwünschten Eigenschaften je nach Zuchtziel und Anbauort unterschiedlich sein können.

Atmen und Trinken durch denselben Strohhalm

Pflanzen verlieren Wasser durch einen Prozess namens Transpiration, der über die Stomata erfolgt, dieselben Passagen, die es Kohlendioxid ermöglichen, an die Blattoberfläche zu gelangen.

Bei Verwendung desselben Ein- und Ausgangs kommt es zwangsläufig zu einem Kompromiss zwischen der Einsparung von Wasser und der Gewinnung von ausreichend Kohlenstoff für die Produktion gesunder Körner durch Photosynthese.

Unsere Screening-Technik berücksichtigt diesen Kompromiss, um nach Pflanzen zu suchen, die längere Zeiträume mit Wassermangel überstehen können und nach erneuter Bewässerung wieder gesund wachsen können.

Genau wie in „Düne„Während sich der Mensch an sehr trockene Bedingungen angepasst hat, haben Pflanzen aus Wüstenumgebungen ihre eigenen Möglichkeiten entwickelt, mit Dürre umzugehen.“

Wenn wir das menschliche Schwitzen mit der Transpiration von Pflanzen vergleichen, haben Pflanzen, die gut an trockene Bedingungen angepasst sind, mehrere Mechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, bei Dürre weniger zu „schwitzen“ und Wasser zu sparen, dabei aber weniger gestresst und gesund zu bleiben.

Wir verwenden die mithilfe von hyperspektralen und thermischen Fernerkundungstechniken gesammelten Daten, um einen bildbasierten Transpirationseffizienzindex (iTE) zu erstellen, einen relativ einfach zu interpretierenden Parameter für die Pflanzenzucht.

Mithilfe von iTE können wir dann die gut angepassten Linien identifizieren, die unter Dürrebedingungen eine derart effiziente Wassernutzung zeigen und dennoch ihre Fähigkeit zur Wiederaufnahme des Wachstums aufrechterhalten können.

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Obwohl wir bei der Entwicklung von iTE an Wildpopulationen gedacht haben, ist die Anwendung auch auf kommerziell angebaute Nutzpflanzen anwendbar.

Im Gegensatz zu traditionellen Selektionsmethoden, bei denen der Schwerpunkt bei der Sortenauswahl ausschließlich auf der Ertragsleistung liegt, könnte der iTE-Index in klassische Toleranzmessungen integriert werden, um umfassendere und fundiertere Entscheidungen über die besten Wildlinien für die Züchtung zu treffen.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für nachhaltige Landwirtschaft in Spanien, IAS-CSIC, haben wir einen starken Zusammenhang zwischen einer positiven Veränderung der iTE unter Dürrebedingungen im Vergleich zu einer gut bewässerten Kontrollgruppe und der Ertragsstabilität bei kommerziellen Weizensorten entdeckt; je stärker die iTE-Steigerung, desto geringer die Ertragsverluste.

Die Ertragsstabilität gibt an, wie gut eine Ernte ihren Kornertrag unter Dürrebedingungen im Vergleich zu normalen, gut bewässerten Bedingungen aufrechterhält. Es gibt jedoch verschiedene Gründe, warum einige Ernten Dürre besser überstehen.

Unsere Forschungen legen zum Beispiel nahe, dass manche Pflanzen weiterhin effektiv Photosynthese betreiben, während andere möglicherweise tiefere Wurzeln haben, die Zugang zu Wasser weit unter der Oberfläche haben.

Letztere können auf Wärmebildern als kühlere Blätterdächer erscheinen, da sie mehr Wasser aufnehmen können, wodurch die Pflanze weiter transpirieren kann und ihre Temperatur sinkt.

Ob diese Transpiration auf tiefe Wurzeln zurückzuführen ist oder ob diese Pflanzen ihre Poren (Stomata) einfach offen halten, ungeachtet der Wasserknappheit, lässt sich anhand eines Feldversuchs nur schwer feststellen. Unsere Forschung bricht diese Komplexität auf, um genau zu verstehen, wie Nutzpflanzen Ertragsstabilität erreichen.

Wenn wir verstehen, wie Pflanzen speziell am Ende der Saison ihren Ertrag aufrechterhalten, können wir die zugrunde liegende Genetik effizienter nutzen.

Pflanzen für die Zukunft

Sobald wir vielversprechende Wildlinien identifiziert haben, besteht der nächste Schritt darin, sie durch einen als De-novo-Domestizierung bekannten Prozess so zu modifizieren, dass sie gängigen landwirtschaftlichen Praktiken entsprechen.

Diese Methode beschleunigt den Prozess, den Menschen seit Tausenden von Jahren nutzen, um bessere Nutzpflanzen auszuwählen und zu züchten. Anstatt Generationen zu warten, verwenden wir fortschrittliche Züchtungstechniken, um die guten Eigenschaften kultivierter Nutzpflanzen schnell und direkt in die wilden, stressresistenten Pflanzen einzubringen.

Diese nicht-genen Züchtungsmodifikationen führen zu Nutzpflanzen, die sich mit herkömmlichen Bewirtschaftungsmethoden leichter anbauen lassen.

Durch die Nutzung hyperspektraler Fernerkundung zur Identifizierung geeigneter Wildpflanzen und deren Neudomestizierung, um sie für Anbauer zugänglich und attraktiv zu machen, können wir die Entwicklung von Nutzpflanzen revolutionieren und Pflanzen an den Klimawandel anpassen, um den steigenden globalen Nahrungsmittelbedarf zu decken.