Biologischer Durchbruch als Schlüssel zu besseren Ernten

Neue Erkenntnisse zur Pflanzenreproduktion könnten uns helfen, qualitativ bessere Nutzpflanzen zu züchten. Dies ist entscheidend für die Bewältigung einer existenziellen Herausforderung – nämlich der nachhaltigen Ernährung einer hungrigen Welt.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Das Überleben der Menschheit hängt von der Erhaltung bestimmter Grundressourcen ab, darunter fruchtbares Land, Süßwasser, Energie und Artenvielfalt. Nicht nachhaltiges Konsumverhalten stellt eine Bedrohung unserer Fähigkeit dar, eine wachsende menschliche Bevölkerung zu ernähren, die im Jahr 2050 voraussichtlich 9,7 Milliarden Menschen erreichen wird. „Wenn wir unsere natürlichen Ressourcen weiterhin so nutzen, wie wir es bisher getan haben, dann wird es bald nicht mehr genug Ackerland oder sauberes Wasser geben, um das Überleben aller zu garantieren“, erklärt Ana Marta Pereira, EpiAGP-Projektstipendiatin und Postdoktorandin am Institut für Biowissenschaften an der Universität Mailand, Italien. „Wir müssen die Ernteerträge steigern, ohne unserem Planeten weiteren Schaden zuzufügen.“ Es wurde nachgewiesen, dass die genetische Veränderung spezifischer Pflanzenmerkmale eine bessere Stresstoleranz, Krankheitsresistenz sowie eine bessere Nährwertqualität erreicht. Der Einsatz von Genomeditierungsverfahren wird in Europa jedoch immer noch streng kontrolliert, und gentechnisch veränderte Organismen (GVO) werfen weiterhin Gesundheits- und Umweltbedenken auf. „Wenn wir die wachsende Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Futtermitteln und Bioenergie-Rohstoffen befriedigen wollen, müssen wir unser Verständnis der Pflanzenwissenschaft verbessern“, sagt Pereira. Dies beinhaltet auch genauere Kenntnisse der biologischen Prozesse, welche die Pflanzenreproduktion regulieren. Dies könnte der Wissenschaft dabei helfen, die Pflanzenproduktivität zu steigern und durch selektive Züchtungen eine qualitativ hochwertige Saatgutproduktion zu erzielen.

Pflanzenreproduktion verstehen

Mit dem EU-finanzierten Projekt EpiAGP, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, soll unser Wissen über die Pflanzenreproduktion erweitert werden. „Insbesondere wollten wir neue Einblicke in die Rolle einer speziellen Gruppe pflanzlicher Glykoproteinegeben, die als Arabinogalactan-Proteine (AGP) bekannt sind“, erklärt Pereira. „Es ist bekannt, dass diese Glykoproteine in allen Pflanzen vorhanden und an mehreren Entwicklungsprozessen beteiligt sind. Unser Ziel war es zu verstehen, wie diese Moleküle im Fortpflanzungsprozess funktionieren, sowie besser zu verstehen, wie deren Aktivität reguliert wird.“ Pereira konzentrierte ihre Studien auf Arabidopsis thaliana, die kleine Ackerschmalwand, ein Unkraut am Straßenrand. Diese Pflanze teilt viele Eigenschaften mit gängigen Nutzpflanzen. Der Grundgedanke war, dass sich Pereiras Erkenntnisse leicht auf Nutzpflanzen übertragen lassen würden, um die Lebensmittelproduktion zu verbessern. Ein entscheidender Durchbruch wurde durch die Analyse einer mutierten Linie der kleinen Ackerschmalwand erzielt, der ein spezifisches AGP fehlte, das als AGP4/JAGGER bekannt ist. „JAGGER ist ein AGP, das erforderlich ist, um zu verhindern, dass bei der Arabidopsis-Reproduktion Polyspermie (bei der mehrere Spermien mit der Eizelle verschmelzen) auftritt.“ erklärt Pereira. „Durch die Analyse dieser Pflanzenlinie erhielten wir eine enorme Menge an Daten über andere Moleküle, die ebenfalls am Fortpflanzungsprozess beteiligt sein können.“

Optimierung von Nutzpflanzen

Durch eine sorgfältige Analyse wie diese konnte das EpiAGPs-Projekt neue Erkenntnisse über die Fortpflanzungsfunktionen von AGP in Pflanzen gewinnen. „Wir konnten nicht nur untersuchen, wie Arabinogalactan-Proteine funktionieren, sondern auch, wie sie während der Reproduktion reguliert werden“, so Pereira. „Dies ist ein Thema, das noch nie zuvor behandelt wurde.“ Diese Informationen werden Wissenschaftlern auch helfen, besser zu verstehen, wie AGP bei anderen Entwicklungsprozessen von Pflanzen funktionieren. „Das Verständnis der grundlegenden molekularen Prozesse, welche die Pflanzenreproduktion regulieren, ist entscheidend, um die Nutzpflanzenproduktivität zu steigern und eine qualitativ hochwertige Saatgutproduktion zu erzielen“, sagt Pereira. „Wir haben gezeigt, dass dies durch Agrartechnik auf nachhaltige Weise erreicht werden kann, was uns dabei hilft, Ackerland besser zu nutzen.“

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Breaking frontiers in plant reproduction: understanding the roles of AGPs and epigenetics regulating male-female crosstalk towards fertilization

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