Pflanzenforschung – Die Großen haben weniger Stärke

Ein deutsch-niederländisches Wissenschaftlerteam konnte erstmals zeigen, dass Stärke in Blättern ein hervorragender Indikator für die Biomasseentwicklung der gesamten Pflanze ist. Aufbauend darauf fanden sie heraus, dass die Biomasseentwicklung mit spezifischen Änderungen in der Sequenz zweier Gene einhergeht. Mit der Identifizierung solcher funktionell wirksamen natürlichen Sequenzveränderungen schaffen die Forscher eine Grundlage für die Präzisionszucht, das Smart Breeding, und erschließen den Pool natürlicher Genvarianten damit für die Pflanzenzüchtung. Die Ergebnisse der Arbeit sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht (1. Juni 2009).

Der weiterhin steigende Bedarf an Nahrungsmitteln und nachwachsenden Rohstoffen erfordert in der Landwirtschaft weitere Ertragssteigerungen. Die biologische Vielfalt, Produkt der Evolution und von jeher Grundlage jeder züchterischen Aktivität, bietet dafür viele Möglichkeiten. Voraussetzung ist jedoch, dass es gelingt, für Ertragssteigerungen verantwortliche Eigenschaften zu finden und diese in Zuchtprogramme einfließen zu lassen. Die moderne Pflanzenforschung erweitert dabei unsere Erkenntnismöglichkeiten durch neue Verfahren: Sie versetzt uns in die Lage, die natürliche genetische Vielfalt in ihrer Auswirkung auf interessante Eigenschaften der Pflanze detailliert zu analysieren, und auf diese Weise Zuchtprogramme effektiver und präziser zu gestalten.

Stärke ist ein wichtiger Speicherstoff für Kohlenhydrate und eine der Hauptenergiequellen in der menschlichen Nahrung. Auch Pflanzen nutzen Stärke als Energiespeicher. Die tagsüber in der Photosynthese aufgenommenen Kohlenstoffe werden zum Teil als Stärke gespeichert, die mit einsetzender Dunkelheit wieder abgebaut wird und so das Wachstum in der Dunkelheit ermöglicht. „Wir konnten zeigen, dass Stärke gebündelte Informationen über die mit ihr in Verbindung stehenden Stoffwechselprodukte und die Gesamtleistung der Pflanze vermittelt“, sagt Mark Stitt, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie.

Seinem Team ist in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Potsdam und der Universität Wageningen (NL) erstmals der Nachweis gelungen, dass die Menge an Stärke in den Blättern ein hervorragender Indikator für die Biomasseentwicklung der gesamten Pflanze ist. Das überraschende Ergebnis dieser Arbeiten: Je mehr Biomasse die Pflanzen aufbauten, je größer sie also wuchsen, desto weniger Stärke war am Ende des Tages in ihnen messbar. Doch warum können große Arabidopsis-Varianten den vorhandenen Kohlenstoff besser im Stoffwechsel umsetzen als kleinere Varianten?

Die Forscher untersuchten daraufhin die Aktivität von über 90 Genen, die mit dem Kohlenhydrat-Status der Pflanzen in Zusammenhang stehen. Und tatsächlich: Zwei davon korrelierten mit der Biomasse der Pflanze. Durch Sequenzierung dieser zwei Gene in allen 92 Sorten und entsprechende statistische Analysen konnten die Wissenschaftler spezifische Veränderungen in der Gensequenz herausfiltern, die einen Einfluss auf die Biomasse haben. „Die Identifizierung solcher funktionell wirksamen natürlichen Sequenzveränderungen ist die Grundlage des SMART-Breedings, also der Präzisionszucht“, erläutert Stitt. So werden nützliche Genvarianten zu Merkmalen, nach denen der Pflanzenzüchter gezielt suchen kann.

„Die Tatsache, dass geringe Stärkemengen ein Hinweis auf hohe Biomasseproduktion und einen hochproduktiven Stoffwechsel sind, Stärke also einen Gesamtzustand widerspiegelt, ist eine völlig neue Erkenntnis über diesen altbekannten Stoff“, sagt Ronan Sulpice, Erstautor der Studie. Und Stitt ergänzt: „Mit den Verfahren der modernen Pflanzenforschung können wir für die Züchtung wichtige Aspekte aus komplexen Stoffwechselprozessen isolieren und sie direkt für die Züchtung zugänglich machen. Dabei ist die Anwendung dieses Verfahrens bei Nutzpflanzen wahrscheinlich nur noch eine Frage der Zeit, da unser Wissen über die genetische Vielfalt innerhalb der Nutzpflanzen rasant wächst.“

[JR/MS]

Originalveröffentlichung:

R. Sulpice et al.
Starch as a major integrator in the regulation of plant growth.
PNAS, 1. Juni 2009
Meyer et.al. (2007)
The metabolic signature related to high plant growth rate in Arabidopsis thaliana.

PNAS 104 4759-4764

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Mark Stitt
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam
Tel.: +49 331 5678100
E-Mail: Stitt@mpimp-golm.mpg.de
Ursula Ross-Stitt (Referentin für Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam
Tel.: +49 331 5678310
E-Mail: Ross-Stitt@mpimp-golm.mpg.de