Wissenschaftler entschlüsseln den Schlüssel zu dürreresistenten Weizenpflanzen mit längeren Wurzeln

Der Anbau von Weizen unter Dürrebedingungen könnte in Zukunft dank neuer Genforschung der University of California, Davis, einfacher werden.

Ein internationales Wissenschaftlerteam fand heraus, dass die richtige Anzahl von Kopien einer bestimmten Gruppe von Genen ein längeres Wurzelwachstum stimulieren kann, wodurch Weizenpflanzen in die Lage versetzt werden, Wasser aus tieferen Quellen zu ziehen. Die resultierenden Pflanzen haben laut einer Veröffentlichung mehr Biomasse und produzieren einen höheren Getreideertrag veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.

Die Forschung liefert neuartige Werkzeuge, um die Weizenwurzelarchitektur so zu modifizieren, dass sie Niedrigwasserbedingungen standhält, sagte Gilad Gabay, Postdoktorand am Department of Plant Sciences der UC Davis und Erstautor der Veröffentlichung.

Wurzeln sind der Schlüssel zu besseren Erträgen bei Trockenheit

„Wurzeln spielen bei Pflanzen eine sehr wichtige Rolle“, sagte er. „Die Wurzel nimmt das Wasser und die Nährstoffe auf, um das Pflanzenwachstum zu unterstützen. Diese Erkenntnis ist ein nützliches Werkzeug, um Wurzelsysteme so zu konstruieren, dass der Ertrag unter Dürrebedingungen bei Weizen verbessert wird.“

Es wurde viel getan, um die Weizenproduktion zu verbessern, aber Verluste durch Wasserknappheit können andere Verbesserungen zunichte machen. Pflanzen, die sich an Niedrigwasserbedingungen anpassen können, aber einen höheren Ertrag haben, werden der Schlüssel zum Anbau von genügend Nahrung für eine wachsende Bevölkerung angesichts der globalen Erwärmung sein.

Bisher war wenig über die Gene bekannt, die die Wurzelstruktur von Weizen beeinflussen. Die Entdeckung der Genfamilie – bekannt als OPRIII – und dass verschiedene Kopien dieser Gene die Wurzellänge beeinflussen, ist ein bedeutender Schritt, sagte der angesehene Professor Jorge Dubcovsky, der Projektleiter in dem Labor, in dem Gabay arbeitet.

„Die Duplikation der OPRIII-Gene führt zu einer erhöhten Produktion eines Pflanzenhormons namens Jasmonsäure, das unter anderem die beschleunigte Produktion von Seitenwurzeln verursacht“, sagte Dubcovsky. „Unterschiedliche Dosierungen dieser Gene können verwendet werden, um unterschiedliche Wurzeln zu erhalten.“

Von der Genomik bis zur Züchtung

Um längere Wurzeln zu erhalten, verwendete das Forscherteam die CRISPR-Geneditierungstechnologie, um einige der OPRIII-Gene zu eliminieren, die in Weizenlinien mit kürzeren Wurzeln dupliziert wurden. Im Gegensatz dazu führte die Erhöhung der Kopien dieser Gene zu kürzeren und verzweigteren Wurzeln. Aber das Einfügen eines Roggenchromosoms, das zu verringerten OPRIII-Weizengenen führt, verursachte längere Wurzeln.

„Die Feinabstimmung der Dosierung der OPRIII-Gene kann es uns ermöglichen, Wurzelsysteme zu konstruieren, die an Dürre, an normale Bedingungen und an verschiedene Szenarien angepasst sind“, sagte Gabay.

Die Kenntnis der richtigen Genkombination bedeutet, dass Forscher nach Weizensorten suchen können, die diese natürlichen Variationen aufweisen, und für die Freigabe an Erzeuger, die in Niedrigwasserumgebungen pflanzen, züchten können.

Junli Zhang, Germán Burguener und Tyson Howell vom Department of Plant Sciences haben zu dem Artikel beigetragen, ebenso wie Forscher der China Agricultural University in China, der Fudan University in China, des Howard Hughes Medical Institute in Maryland, des Karolinska Institute in Schweden, der National University of San Martin in Argentinien, dem Technological Institute of Chascomús in Argentinien, der UC Berkeley, der University of Haifa in Israel und der UC Riverside Metabolomics Core Facility.