Reis muss trockentoleranter werden – Metabolische Marker beschleunigen die Züchtung

Forscher vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) haben in verschiedenen Reissorten Marker identifiziert, die anzeigen, ob und wie gut eine Pflanze der Trockenheit widerstehen kann.

Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in dem Fachmagazin PLOS ONE. Als Besonders interessanter Kandidat hat sich Glukose erwiesen. Dass es Gene für Trockentoleranz in den unterschiedlichsten Reissorten gibt, ist für die Züchter unerlässlich. Denn sonst wäre alles Kreuzen umsonst.

Etwa 50 Prozent der Reisanbaufläche wird nicht künstlich bewässert, sondern ist auf das Regenwasser angewiesen. Bleibt das aus, sinken die Reiserträge zwischen 13 und 35 Prozent. Bisher sind Züchter auf langwierige und arbeitsintensive Feldversuche angewiesen, wenn sie neue Sorten mit besserer Trockentoleranz entwickeln wollen. Diesen Prozess wollen die Forscher um Karin Köhl vom MPI-MP beschleunigen.

Dazu analysieren sie nicht nur das Erbgut der Pflanzen, sondern schauen genau nach, welche Gene tatsächlich abgelesen (transkribiert) werden und welche Moleküle dabei entstehen. „Die Gene selbst bleiben immer gleich, aber wann sie aktiv werden und welche Signalkaskaden sie anstoßen, das ändert sich ständig“, erklärt Karin Köhl. „Wenn wir die Transkripte und Metabolite analysieren, bekommen wir ein viel genaueres Bild über den Zustand der Pflanze als wenn wir nur auf das Genom schauen würden.“

Trockentoleranz wird nicht nur von einem einzigen Gen vermittelt. Deshalb fanden die Forscher auch zahlreiche Moleküle, die bei Trockenheit von den toleranten Pflanzen vermehrt gebildet werden. „Solche positiven Korrelationen sind es, nach denen wir suchen“, so Köhl. Vielversprechende Kandidaten für die zukünftige markergestützte Züchtung sind organische Säuren, Glukose und drei bisher noch nicht identifizierte Moleküle.

Vor allem die Glukosekonzentration in jungen Blättern ist ein interessanter Markerkandidat, da bereits in anderen Pflanzen wie Eukalyptus und Lotus bei Stresssituationen ein erhöhter Glukosegehalt nachgewiesen worden ist.

Insgesamt untersuchten die Forscher 21 verschiedene Sorten, denn Reis ist nicht gleich Reis. Mindestens zwei Mal wurde die Pflanze unabhängig domestiziert. Die bekanntesten Unterarten sind der aus Südchina stammende Langkornreis „indica“ und der Rundkornreis aus Indien, „japonica“.

Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die Menschen schon 7000 v. Chr. damit anfingen, den Reis zu kultivieren. Aus jeder Generation wählten sie die besten und kräftigsten Pflanzen mit dem meisten Ertrag aus und säten deren Körner im nächsten Jahr wieder aus. Jedes Mal wurden dadurch auch Pflanzen von der Vermehrung ausgeschlossen. Nach und nach verschwanden somit Gene aus dem Genpool der heutigen Kulturpflanzen.

„Unsere Marker konnten wir in allen untersuchten Reislinien nachweisen, sie sollten also universell für Züchter einsetzbar sein“, so Thomas Degenkolbe, der Erstautor der Studie. Als nächsten sollen die im Gewächshaus gewonnenen Daten in Feldversuchen überprüft werden, denn es gibt neben der Wasserverfügbarkeit noch zahlreiche andere Umweltfaktoren, die den Ertrag von Reis beeinflussen.

Auch den Kartoffeln wird es in Deutschland zu trocken

Auch andere wichtige Kulturpflanzen wie Kartoffeln und Mais leiden unter Trockenstress. In den nächsten Jahren wird sich im Zuge des Klimawandels die Situation voraussichtlich noch verschärfen. Auch in Deutschland. Aus diesem Grund suchen die Forscher in Golm auch nach molekularen Markern für Trockentoleranz bei Kartoffeln.

Das Projekt TROST, kurz für TROckenSTress bei Kartoffeln, befindet sich zurzeit im dritten Jahr der ersten Förderphase. Die Markersuche ist bei der Kartoffel um einiges anspruchsvoller als beim Reis. Während der Reis nur einen doppelten Chromosomensatz aufweist, besitzt die Kartoffel einen vierfachen Chromosomensatz. Kreuzt man zwei Kartoffelpflanzen, dann bildet jeder Samen seine eigene Linie mit anderen Eigenschaften aus.

Bisher steht fest: Es gibt auch bei unseren Kulturkartoffeln noch genügend genetische Varianz für Trockentoleranz und die ersten Markerkandidaten sollen mit Hilfe von mathematischen Modellen validiert werden.

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Dr. Karin Köhl
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Originalpublikation
Thomas Degenkolbe, Do T Phuc, Joachim Kopka, Ellen Zuther, Dirk K Hincha, Karin I Köhl
Identification of drought tolerance markers in a diverse population of rice cultivars by expression and metabolite profiling

PLOS ONE, 22. Mai 2013, DOI: 10.1371/journal.pone.0063637