Sich gegen die Winterkälte warm einzupacken ist für die meisten von uns eine gemütliche und einfache Lösung. Doch unsere Ernten sind Frost und Minustemperaturen ausgesetzt, ohne dass sie die Wärme von Winterkleidung haben. Frost stellt eine erhebliche Bedrohung für die Landwirtschaft dar, insbesondere in Australiens Weizengürtelregionen.
Pflanzen haben sich so entwickelt, dass sie den Zeitpunkt ihres Wachstums und ihrer Blüte an saisonale Licht- und Temperaturmuster anpassen. Doch der Klimawandel beginnt, diese saisonalen Muster zu beeinflussen.
Trotz der allgemeinen Klimaerwärmung Spätfröste im Frühjahr treten häufiger auf als früher. Diese Frostereignisse, insbesondere während der Blüte, können die Weizenerträge im gesamten australischen Anbaugebiet drastisch reduzieren. Schätzungen zufolge verlieren die Landwirte dadurch Hunderte Millionen Dollar pro Jahr.
Frostschäden an Pflanzen
Jeder begeisterte Gärtner oder Landwirt weiß, dass Frost Pflanzen töten kann. Die Pflanzenwissenschaftlerin Dr. Fernanda Dreccer sagt, dass Frost Pflanzen auf Zellebene schädigt.
„Wenn Pflanzen nachts kalten oder eisigen Temperaturen ausgesetzt sind, komprimieren sich die Lipide in ihren Zellmembranen“, sagt Fernanda.
Lipide sind fettige, wachsartige oder ölige Verbindungen. Sie sind ein wichtiger Bestandteil der Struktur von Zellmembranen. Bei Erwärmung platzen diese Membranen häufig, was zu Dehydration und oft zu irreversiblen Schäden führt.
„Wenn dies in kritischen Phasen der Pflanzenentwicklung geschieht, etwa während der Blüte, können wichtige Strukturen beschädigt werden, die die Fähigkeit der Pflanze zur Fortpflanzung und Kornproduktion beeinträchtigen“, sagt sie.
Gebäudefrosttoleranz
Modellrechnungen zufolge könnte eine Reduzierung der Frostempfindlichkeit der Nutzpflanzen um nur 1 °C den Jahresertrag der Landwirte um etwa 360 Millionen US-Dollar steigern.
Unsere Forschung geht dieses Problem auf verschiedene Weise an. Wir züchten Weizensorten unter verschiedenen Umweltbedingungen, unter anderem unter simulierten Frostbedingungen. Wir untersuchen auch Gene, Metaboliten (Substanzen, die beim Stoffwechsel entstehen) und Pflanzenstrukturen, um herauszufinden, was Weizen mehr oder weniger frostempfindlich macht.
Metabolite und Membranen
Fernandas Team konzentriert sich darauf, die Flexibilität der Zellmembranen von Pflanzen zu verbessern. Diese Eigenschaft hilft Pflanzen, Frost zu überleben.
Ihr Forschungsteam untersucht, was nötig ist, damit Zellen bei niedrigen Temperaturen hydratisiert bleiben.
„Die Membranflexibilität wird durch die Metaboliten- und Lipidprofile der Pflanze bestimmt und wir untersuchen Gene und Umweltbedingungen“, sagte Fernanda.
Das Team hofft, den Zusammenhang zwischen der Ansammlung von Metaboliten und Lipiden und der Frostanfälligkeit von Weizen zu verstehen. Außerdem entwickeln sie eine zerstörungsfreie Methode zur Untersuchung der Stoffwechselzusammensetzung von Pflanzengewebe.
Gene für Frosttoleranz
Der leitende Forschungswissenschaftler Dr. Chris Helliwell und sein Team gehen das Problem mit genomischen Werkzeugen an.
Das Team experimentiert mit der gezielten Belastung durch Froststress in kontrollierten Klimakammern. Durch diese Arbeit hoffen sie, Gene oder genetische Regionen zu identifizieren, die mit einer verringerten Frostempfindlichkeit bei Weizen in Zusammenhang stehen.
„Wir zielen auf ein frühes Stadium der reproduktiven Entwicklung ab, das besonders empfindlich auf Frost reagiert“, sagt Chris.
Da mehr als 400 Weizensorten getestet werden müssen, wird dies einige Zeit in Anspruch nehmen. Aber Chris sagt, dass sie schließlich Marker für Gene finden werden, die die Frosttoleranz steuern.
„Da es für Pflanzenzüchter schwierig ist, auf Frosttoleranz zu selektieren, können aktuelle Sorten diese besonderen Merkmale aufweisen, müssen es aber nicht“, sagt Chris.
„Wenn man sie erst einmal kennt, können die Züchter im Rahmen ihres Zuchtprozesses die Linien auswählen, die diese Marker aufweisen.“
Anatomie der Schutzpflanze
Beobachtungen im Feld lassen darauf schließen, dass Unterschiede in der Pflanzenstruktur – etwa in der Struktur verschiedener Weizenähren – die Empfindlichkeit gegenüber Frostschäden während der Blüte verringern können.
Unser leitender Genetiker Dr. Greg Rebetzke und sein Team untersuchen, wie stark Frost die Fortpflanzungsstrukturen von Pflanzen schädigt. Greg vergleicht einzigartige Weizengenetiken und sucht nach spezifischen morphologischen und anatomischen Merkmalen (Merkmalen).
„Diese Eigenschaften bieten möglicherweise einen besseren physischen Schutz oder könnten die Bildung und Ansammlung von Eiskristallen auf frisch aufgetauchten Weizenähren verringern“, sagt Greg.
„Die Identifizierung von Pflanzen, die diese Schutzfunktionen aufweisen, bietet eine weitere Möglichkeit, Weizen gegen Frostschäden zu wappnen.“
Züchtung von frosttolerantem Weizen
All diese Forschung trägt dazu bei, die Frosttoleranz verschiedener australischer Weizensorten zu verbessern. Unsere Forscher hoffen, Pflanzenzüchtern wertvolle Werkzeuge an die Hand zu geben, um die Widerstandsfähigkeit des Weizens gegenüber strengem Frost zu verbessern.
Wenn dies gelingt, erhalten Pflanzenzüchter Zugang zu fortschrittlicheren Selektionsmethoden und Elternlinien mit geringerer Frostempfindlichkeit. Letztlich werden die Landwirte von besseren Weizensorten profitieren, die Frost besser vertragen.