Suche nach Maissorten, die an zukünftige Klimabedingungen angepasst sind

Mais ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt. Er liefert nicht nur süße Körner, die vielen Gerichten Geschmack verleihen, sondern wird auch in Ölen, als Süßungsmittel für Sirup und als Viehfutter verwendet. Mais wurde auf Bauernhöfen auf der ganzen Welt gezüchtet, um seinen Ertrag zu maximieren.

Doch was wird unter dem Klimawandel passieren? In einer von der University of Washington geleiteten Studie wurden Klimaprognosen mit Pflanzenmodellen kombiniert, um herauszufinden, welche Kombination von Eigenschaften sich am besten an zukünftige Klimabedingungen anpassen könnte. Die Studie verwendete Wetter- und Klimaprognosen für die USA im Jahr 2050 und 2100 sowie ein Modell, das das Wachstum von Mais simuliert, um die Kombination von Eigenschaften zu finden, die unter zukünftigen Bedingungen landesweit den höchsten und zuverlässigsten Ertrag bringen wird.

Der offene Zugang Papier erscheint in Umweltforschung: ErnährungssystemeUW News befragte die leitende Autorin Abigail Swann, eine UW-Professorin für Atmosphärenwissenschaften und Biologie, zu der Studie und ihren Ergebnissen.

Unser zukünftiges Klima wird wärmer, die Luft trockener und die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre höher sein. Gibt es ein allgemeines Verständnis darüber, wie sich all diese Veränderungen zusammen auf das Pflanzenwachstum auswirken werden?

Für Mais, ein vorherige Studie Unsere Gruppe fand heraus, dass höhere Temperaturen und trockenere Luft etwa die gleiche Auswirkung haben. Beides führt zu einem geringeren Maisertrag, während mehr CO2 für die Photosynthese den Ertrag steigert. Der Ertragsanstieg durch CO2 reichte jedoch nicht aus, um den Rückgang durch die beiden anderen Veränderungen auszugleichen, sodass die Maiserträge insgesamt zurückgingen.

Insgesamt werden höhere Temperaturen, wie wir sie in Zukunft erwarten, dazu führen, dass Nutzpflanzen schneller wachsen, aber weniger Ertrag bringen. Natürlich wirken sich auch veränderte Niederschlagsverhältnisse an verschiedenen Standorten auf das Wachstum aus, obwohl dies insgesamt weniger Auswirkungen hat, insbesondere bei Nutzpflanzen, die auf Bewässerung angewiesen sind.

Normalerweise denken viele Menschen, der Klimawandel würde die Anbaugebiete bestimmter Nutzpflanzen verändern. Ihre Studie besagt jedoch, dass die Nutzpflanzensorten, die wir heute anbauen, für keinen Standort in der Zukunft ideal sind. Warum ist das so?

Da das Klima immer wärmer wird, können wir uns anpassen, indem wir bestehende Pflanzensorten näher an die Pole bringen, wo die Luft kühler ist. Aber die Verlagerung bestehender Sorten an neue Orte reicht nicht aus, um die Ernteverluste auszugleichen, die wir in einem heißeren Klima erwarten, weil die Auswirkungen höherer Temperaturen so schädlich sind.

In unserer Studie haben wir 100 mögliche Maissorten untersucht und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Sorten, die in Zukunft am erfolgreichsten sein werden, nicht die Sorten sind, die heute schon erfolgreich sind – wir brauchen neue Nutzpflanzen für das neue Klima.

Können Sie den Mais beschreiben, der Ihrer Studie zufolge im Vergleich zu den heute besten Sorten in zukünftigen Klimazonen am besten gedeihen wird?

Maispflanzen bilden zuerst Blätter und wechseln dann zum Getreideanbau. Wir haben festgestellt, dass Maispflanzen heute einen Kompromiss eingehen müssen, um einerseits viele Blätter zu bilden und andererseits in der Wachstumsperiode noch genügend Zeit für den Anbau von viel Getreide zu haben. Das bedeutet, dass die erfolgreichsten Sorten heute nicht sehr viele Blätter bilden, sodass sie schon früh in der Saison auf Getreideanbau umstellen können.

Durch das Wachstum von mehr Blättern könnte die Photosyntheseleistung der Maispflanze gesteigert werden, wodurch sich auch die Getreideproduktion steigern ließe. Allerdings geht dies heute auf Kosten einer kürzeren Vegetationsperiode.

In Zukunft wird es insgesamt wärmer sein, und Mais kann früher gepflanzt und später in der Saison geerntet werden. Die längere Wachstumsperiode befreit den Mais von diesem Kompromiss und ermöglicht ihm, mehr Blätter zu bilden und trotzdem noch genügend Zeit für das Kornwachstum zu haben (schnelleres Wachstum bei höheren Temperaturen gibt einen zusätzlichen Schub).

In diesem Sinne können die Maispflanzen der Zukunft also im Grunde genommen beides haben. Die von uns simulierten Sorten, die die Fähigkeit nutzten, mehr Blätter zu bilden, brachten unter zukünftigen Klimabedingungen mehr Ertrag als die Sorten mit weniger Blattwachstum. Das sind allerdings keine guten Nachrichten für Mais. Zwar wird Mais mehr Blätter bilden können und noch immer viel Zeit haben, um Körner zu produzieren, aber die negativen Auswirkungen von hohen Temperaturen und trockenerer Luft werden die Gesamterträge verringern. Mehr Blätter und eine längere Wachstumsperiode helfen, diese negativen Auswirkungen abzufedern, aber insgesamt schnitten alle von uns simulierten Maispflanzen unter zukünftigen Klimabedingungen schlechter ab.

Gibt es eine Möglichkeit, diese Ergebnisse an echten Pflanzen zu überprüfen, bevor diese Klimabedingungen Realität werden?

Zwar gibt es die Pflanzen, die unserer Meinung nach unter zukünftigen Klimabedingungen am besten gedeihen würden, derzeit noch nicht, doch mithilfe genetischer Techniken wie CRISPR können Pflanzen mit vielen dieser Eigenschaften schnell gezüchtet werden. Anschließend können sie unter kontrollierten Klimabedingungen gezüchtet werden, um zu sehen, ob unsere Erkenntnisse auch auf echte Pflanzen zutreffen. Dieser Teil des Prozesses geht überraschend schnell, sodass wir neue Pflanzensorten kreieren und testen können, bevor sie benötigt werden.

Warum ist es sinnvoll, Computermodelle zu verwenden und nicht wie in der Vergangenheit einfach selektive Züchtung zu betreiben?

Die Züchtung neuer Pflanzensorten ist ein sehr langsamer Prozess. Von der ersten Züchtung bis zur Erprobung und Einführung durch die Landwirte können Jahrzehnte vergehen. Der Prozess beginnt mit der Auswahl der bestehenden Pflanzensorten nach wünschenswerten Eigenschaften, einschließlich hohem Ertrag. Dann werden diese neuen potenziellen Sorten kombiniert, angebaut und in verschiedenen Umgebungen und mit unterschiedlicher Bewirtschaftung getestet. Schließlich werden die endgültigen Sorten kommerziell freigegeben und können dann von den Landwirten übernommen werden.

Mithilfe von Simulationen können wir eine viel größere Bandbreite möglicher Kombinationen von Merkmalen testen, die für eine neue Sorte gut geeignet sein könnten, und dieses Wissen als Leitfaden für die ersten Phasen der Züchtung nutzen. Dies kann den Züchtungsprozess beschleunigen und unsere Anpassungsfähigkeit an ein sich änderndes Klima verbessern. Es gibt uns auch Informationen darüber, welche Merkmale wir möglicherweise zu schaffen versuchen, die weiter von unseren bestehenden Sorten abweichen.

Wie passt Ihre Studie in das breitere Feld der Klimaanpassung?

Wir werden die Landwirtschaft in vielerlei Hinsicht anpassen müssen, um eine wachsende Bevölkerung mit steigendem Nahrungsmittelbedarf zu versorgen, verbunden mit den Ernteverlusten, die wir bei steigenden Temperaturen erwarten. Unsere Studie hilft dabei, den Prozess der Züchtung klimaresistenter Nutzpflanzen anzukurbeln, indem sie eine Vorstellung davon vermittelt, wie diese Nutzpflanzen aussehen sollten. Unsere Studie liefert auch eine Blaupause dafür, wie diese Analyse für andere Nutzpflanzenarten als Mais durchgeführt werden kann.

Obwohl wir uns in dieser Studie auf Mais konzentrieren, betrachten wir unsere Arbeit als Demonstration eines Ansatzes, der auf jede beliebige Nutzpflanze angewendet werden kann, und somit eher als eine Blaupause dafür, wie wir die erwarteten Auswirkungen des Klimawandels in die Züchtung neuer Nutzpflanzensorten einbeziehen können.

In den USA hörten wir kürzlich von einer Stagnation der Bevölkerungszahlen aufgrund niedrigerer Geburtenraten und von einer Umstellung auf weniger ressourcenintensive, pflanzliche Ernährung. Können Sie erklären, warum wir weltweit dennoch mit einer steigenden Nachfrage nach Mais rechnen?

Die Weltbevölkerung wächst weiterhin, und neben der Gesamtbevölkerung wächst auch der Wohlstand der Weltbevölkerung, und ihr Fleischkonsum steigt. In den USA ist unsere Ernährung bereits sehr fleischintensiv, und daher ist eine Umstellung auf eine weniger ressourcenintensive und pflanzliche Ernährung aus gesundheitlicher und ökologischer Sicht sehr sinnvoll.

Doch in vielen Teilen der Welt ist der Fleischkonsum derzeit sehr gering. Da diese Bevölkerungen ihren Wohlstand steigern, erwarten wir, dass in einigen Fällen auch der Fleischkonsum steigen wird. Dieser Wohlstandszuwachs ist gut für das Wohlergehen dieser Menschen. Durch die Anpassung der Landwirtschaft hoffen wir, die durch die höheren Temperaturen zu erwartenden Ertragseinbußen abzufedern und dazu beizutragen, dass alle genug Nahrung haben.

Wie geht es mit dieser Forschung weiter?

Wir möchten mit Züchtern zusammenarbeiten, um einige der in unserer Studie vorgeschlagenen Maissorten zu züchten, und ähnliche Studien zu anderen wichtigen globalen Nahrungsmittelpflanzen durchführen. Derzeit suchen wir nach zusätzlichen Finanzierungsquellen, um diese nächsten Schritte durchzuführen.

Die Hauptautorin Jennifer Hsiao führte die Arbeit im Rahmen ihres UW-Doktorats in Biologie durch. Co-Autoren sind Soo-Hyung Kim, UW-Professor für Umwelt- und Forstwissenschaften; Dennis Timlin vom US-Landwirtschaftsministerium; und Nathaniel Mueller von der Colorado State University.