Steigerung der Ernteerträge durch Züchtung von Pflanzen zur Zusammenarbeit

Laut einer neuen Studie, die am 29. November im Open-Access-Journal veröffentlicht wurde, kann ein einfaches Zuchtexperiment in Kombination mit genetischer Analyse schnell Gene aufdecken, die die Zusammenarbeit und höhere Erträge von Pflanzenpopulationen fördern PLOS-Biologie, von Samuel Wuest von der Universität Zürich und Agroscope, Schweiz, und Kollegen. Die Ergebnisse haben das Potenzial, die Pflanzenproduktivität durch konventionelle Züchtungsmethoden schnell zu steigern.

In der klassischen Evolutionstheorie konkurrieren Individuen, und diejenigen mit den wettbewerbsfähigsten Genen erzeugen mehr Nachkommen, die dieselben Siegergene tragen. Dies stellt Pflanzenzüchter vor eine Herausforderung, die oft mit der Auswahl von Pflanzen konfrontiert sind, die kooperieren und nicht konkurrieren. In einem dichten Monokulturbestand von Mais oder Weizen kann der Gesamtertrag verbessert werden, wenn Individuen es vermeiden, zu hoch zu wachsen oder ihre Blätter zu weit auszubreiten (die „Grüne Revolution“ Mitte des 20 Getreidekörner).

Die Entdeckung der Allele (Versionen von Genen, die sich zwischen Individuen unterscheiden), die die Zusammenarbeit fördern können, ist eine Herausforderung, aber die Autoren haben ein System entwickelt, um sie aufzudecken. In Übereinstimmung mit der Spieltheorie argumentierten die Autoren, dass der kooperativste Genotyp am besten mit ähnlich kooperativen Nachbarn abschneiden wird, aber schlecht abschneiden wird, wenn es um egoistische, stark konkurrierende Nachbarn geht.

Sie verwendeten die Modellpflanze Arabidopsis, um die Leistung einer bestimmten Pflanze zu vergleichen, wenn sie mit einem anderen genetisch ähnlichen Individuum gezüchtet wurde (Modell einer Monokultur), mit ihrer Leistung, wenn sie mit einer Reihe von „Tester“-Genotypen gezüchtet wurde, die sich in ihren Wachstumsstrategien unterschieden. Indem sowohl die Gesamtkraft jeder Pflanze (gemessen an der oberirdischen Biomasse) als auch der Unterschied zwischen ihrem Wachstum in den beiden Situationen bestimmt wurden, konnten sie sehen, welche Pflanzen sowohl die Fähigkeit zu schnellem Wachstum als auch die Fähigkeit zur Zusammenarbeit mit genetisch ähnlichen Individuen maximierten damit auch ihre Nachbarn gut wuchsen.

Mit diesen Daten in der Hand verwendeten sie veröffentlichte genomweite Polymorphismusdaten, um die Gene zu finden, die mit dem kooperativen Merkmal assoziiert sind. Sie fanden heraus, dass es am stärksten mit einer kleinen Gruppe verbundener Polymorphismen und insbesondere einem Nebenallel bei einem Gen assoziiert war. Wenn Pflanzen, die dieses Minor-Allel trugen, in unmittelbarer Nähe angebaut wurden, produzierten sie zusammen 15 % mehr Biomasse, wenn sie in hoher Dichte angebaut wurden, als Pflanzen, die das Major-Allel am selben Ort trugen. Der kooperative Effekt wurde von einer verringerten Wurzelkonkurrenz begleitet – benachbarte Pflanzen haben möglicherweise weniger Energie darauf verwendet, in die Wurzelzonen ihrer Nachbarn einzudringen, um Nährstoffe zu erhalten.

Die gleiche vergleichende Strategie könnte zur Entdeckung kooperativer Allele für jedes messbare Merkmal verwendet werden, sagte Wuest. „Eine solche Variation, sobald sie in einer Nutzpflanze identifiziert wurde, könnte schnell in modernen Züchtungsprogrammen genutzt werden und effiziente Wege zur Ertragssteigerung bieten.“

Wuest fügt hinzu: „Die Ideen, die diese Arbeit inspiriert haben, sind nicht neu, viele wurden tatsächlich vor Jahrzehnten formuliert. fasziniert uns noch heute.“