Expertentagung zu genetischer Diversität

"Genetische Diversität – der Schlüssel zur Verbesserung der Trockenstresstoleranz in Kulturpflanzen“ – das war das Thema, einer internationalen Expertentagung im November 2019 in Berlin mit rund 100 Teilnehmern aus dem In- und Ausland. Eingeladen hatten im Auftrag des BMEL das Julius Kühn-Institut (JKI) sowie das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK).

Bedeutung des Themas für die Ernährungssicherung

Die Pflanzenproduktion steht vor erheblichen Herausforderungen: Im Jahr 2050 sind voraussichtlich 9,6 Milliarden Menschen zu ernähren, wobei die landwirtschaftliche Nutzfläche nicht in wesentlichem Umfang ausgedehnt werden kann. Verschärft wird diese Situation durch den Klimawandel, sich ändernde Verzehrgewohnheiten und den zunehmenden Flächenverbrauch für die Bioenergiegewinnung sowie durch anderweitige Nutzung im Rahmen der Bioökonomie. Es ist davon auszugehen, dass der Klimawandel, regional differenziert, einen erheblichen Einfluss auf die Ertragsleistung der für die menschliche Ernährung bedeutendsten Kulturpflanzen haben wird. So rechnen Fachleute damit, dass bis 2050 in den meisten Regionen der Erde die Erträge abnehmen werden bzw. stark schwanken werden. Der Grund: Sie sind in erheblichem Maße von der Temperatur bzw. der Niederschlagsmenge abhängig. Vor diesem Hintergrund nehmen die Fachleute vor allem folgendes in den Blick: Wie lässt sich durch gezielte Züchtung die Trockenstresstoleranz und sowie die Wassernutzungseffizienz von Kulturpflanzen verbessern, da diese zur Ertragssicherung beziehungsweise Ertragssteigerung und damit zur Ernährungssicherung von besonderer Bedeutung ist?

Bereits 2017 hatten das BMEL sowie die beiden Forschungsinstitute das Thema im Rahmen der deutschen G20-Präsidentschaft bei einem internationalen Expertenworkshop "Nutzbarmachung genetischer Ressourcen zur Verbesserung der Trockenstresstoleranz in Kulturpflanzen" in Berlin in den Fokus gerückt; die Ergebnisse der Veranstaltung waren dann beim Treffen der Agricultural Chief Scientists (MACS) vom 12. bis 15.11.2017 vorgestellt worden.

Auf ihrer Tagung im November 2019 knüpften die Teilnehmer nunmehr an die Ergebnisse von 2017 an. So nahmen die Fachleute aus den Bereichen Genotypisierung, Phänotypisierung, Pflanzenzüchtung, Pflanzenphysiologie, Daten- und Informationsmanagement, internationale Zusammenarbeit sowie Klimaanpassung vor allem folgende Fragen in den Blick:

  • die Erschließung pflanzengenetischer Ressourcen,
  • die Phänotypisierung und genetische Kartierung von Trockenstresstoleranz,
  • die Züchtung auf Trockenstresstoleranz, sowie
  • die Ausweitung der internationalen Zusammenarbeit zur Verbesserung der Trockenstresstoleranz von landwirtschaftlichen Kulturen.

Zentrale Ergebnisse der Tagung

Als ein wichtiges Ergebnis hielten sie fest: Der Schutz pflanzengenetischer Ressourcen ist nach wie vor international von kritischer Bedeutung. In diesem Zusammenhang ist neben den vielen Genbanken insbesondere der "Global Seed Vault" auf Spitzbergen zu nennen, der seinen Nutzen bei der Wiederherstellung der in der Genbank in Aleppo gelagerten genetischen Ressourcen bereits unter Beweis gestellt hat.

Neben dem Schutz pflanzengenetischer Ressourcen ist jedoch auch die effiziente Nutzung dieser Ressourcen zu verbessern. Hier ist die systematische Umwandlung von Genbanksammlungen in bio-digitale Ressourcenzentren ein Schlüsselelement.

Ergänzend dazu müssen Datenbanken und Webportale entwickelt werden, um den Zugriff auf und die Analyse von Daten zu erleichtern.

Die Verfügbarkeit von Referenzgenomen unserer Kulturpflanzen und die Entwicklung von entsprechenden Hochdurchsatzmarkertechnologien erlaubt es heute, die genetische Variation für einzelne Merkmale gezielt auf DNA-Ebene zu erfassen und züchterisch zu nutzen. Auch die Schaffung neuer Variation, etwa durch das Erstellen "synthetischen Weizens" aus den Ausgangsarten, ist geeignet, die genetische Variation für Trockenstresstoleranz zu erhöhen, ebenso wie eine gezielte Nutzung von Landrassen aus ariden Gebieten, z.B. der sogenannten "Spanish Barley Core Collection".

Neben der Lagerung und der Erfassung der genetischen Diversität auf molekularer Ebene, ist die Erfassung der Trockenstresstoleranz, das heißt die sichere und wiederholbare Phänotypisierung, von herausragender Bedeutung für die Züchtung von Pflanzensorten mit verbesserter Trockenstresstoleranz.

Es konnte gezeigt werden, dass hier Verfahren unter kontrollierten Bedingungen eine sichere Erfassung entsprechender Unterschiede erlauben, diese jedoch nur bedingt in das Freiland zu übertragen sind. Andererseits konnten auch im Freiland unterschiedliche Anpassungsstrategien an Trockenstress, z.B. über eine Bestimmung der Transpirationsrate, nachgewiesen werden.

Künftig wird der Phänotypisierung des Wurzelapparates eine steigende Bedeutung zukommen. Auch hier wurden in jüngster Zeit erhebliche Erfolge erzielt. Gleichwohl wird weiterhin die Notwendigkeit der Entwicklung noch effizienterer und präziserer Verfahren gesehen, unter anderem zur genaueren Analyse der Wurzelarchitektur sowie im mit Blick auf die Erfassung der Wassernutzungseffizienz.

In diesem Zusammenhang ist die am IPK etablierte "Pflanzenkulturhalle" zu nennen, welche weitestgehend die Simulation von feldähnlichen Bedingungen ermöglicht. Entscheidend für eine Verbesserung der Trockenstresstoleranz wird weiterhin die Erfassung physiologischer Parameter, wie die Beeinflussung der Ährchenfertilität durch Trockenstress oder der Einfluss der Nährstoffversorgung auf die Trockenstresstoleranz gesehen, ebenso wie die Aufklärung von Stoffwechselwegen, die eine Trockenstresstoleranz bedingen. Durch eine Kombination der Erfassung von molekularen mit phänotypischen Daten in geeigneten Populationen können Loci bzw. Gene identifiziert werden, die an der Trockenstresstoleranz beteiligt sind und mittels molekularer Marker effizient im Züchtungsprozess genutzt werden, wie an verschiedenen Beispielen gezeigt wurde. Sind diese Gene bekannt, können durch die Verwendung von z.B. CRISP/Cas neue, u.U. wirkungsvollere Genvarianten direkt in Hochleistungssorten erzeugt werden.

Fazit

Die Verbesserung der Trockenstresstoleranz ist eine bedeutende Aufgabe der Pflanzenzüchtung mit Blick auf die Anpassung der Landwirtschaft an künftige Produktionsbedingungen.

Um neue Pflanzensorten mit verbesserter Trockenstresstoleranz erzeugen zu können, muss zunächst die in den pflanzengenetischen Ressourcen vorhandene Variation erfasst werden.

Eine Vorauswahl zu analysierender Genbank-Akzessionen ist aufgrund geographischer und klimatischer Informationen mittels geeigneter Software (z.B. FIGS) heute möglich. In einem nächsten Schritt sind diese Herkünfte mit geeigneten Hochdurchsatzphänotypisierungs-Techniken zu genotypisieren. Verschiedene kostengünstige Techniken stehen für diesen Zweck zur Verfügung.

Ebenfalls konnten Verfahren entwickelt werden, welche eine Phänotypisierung auf Trockenstresstoleranz ermöglichen. Somit sind die Voraussetzungen für die Identifikationen von Genomregionen/Genen mit Beteiligung an der Trockenstresstoleranz gegeben.

Die strukturierte und global konzertierte Speicherung der Daten aller weltweit analysierten und zu analysierenden Genotypen ist eine erhebliche Herausforderung, welche jedoch ebenso wie Genotypisierung und Phänotypisierung lösbar ist, da die hierfür benötigten Systeme und Kapazitäten grundsätzlich keine Limitierung mehr darstellen. Vor diesem Hintergrund gilt es insbesondere, koordinierte internationale Zusammenarbeiten zur Genotypisierung und Phänotypisierung pflanzengenetischer Ressourcen sowie zu deren züchterischer Nutzbarmachung zu initiieren und zu fördern.

Das JKI hat daher die Koordination des "Heat and Drought Wheat Improvement Consortiums (HeDWIC)" Konsortium zur Verbesserung von Hitze- und Trockenstress bei Weizen übernommen. HeDWIC ist ein assoziiertes Programm der von den G20 Agrarministern initiierten Wheat Initiative und hat das Ziel über verschiedene internationale Projekte die Hitze- und Trockenstresstoleranz des Weizens zu verbessern.

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