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“Can bean yield losses caused by drought, heat stress and climate change be ameliorated by enhancing pod-specific stomatal conductance?”

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Klimaresiliente Bohnen senken den Wasserverbrauch

Bohnen versorgen Lateinamerika mit wichtigen Nährstoffen. Die Versorgung wird jedoch von Dürre und Hitzewellen bedroht, die auf den Klimawandel zurückzuführen sind. Die Wissenschaft befindet sich nun in einem Wettlauf gegen die Zeit, um stärkere, klimaresiliente Hülsenfrüchte zu entwickeln, welche die Ernährungssicherheit in der Region gewährleisten sollen.

Klimawandel und Umwelt
Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Der Großteil der angebauten Bohnen wird beregnet, nicht bewässert. Bis zu 80 % des Ernteertrags kann daher verloren gehen, wenn die saisonale Trockenheit zu zeitig einsetzt, was dazu führt, dass die Preise deutlich steigen und Bohnen aus dem Ausland importiert werden müssen. Eine Möglichkeit, um dieses Problem zu lösen, ist der lokale Anbau von Bohnen, die klimaresilienter sind. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) unterstützte Projekt Pod Yield untersuchte die Gartenbohne und die Teparybohne aus der Trockenzone mit vergleichenden physiologischen und genetischen Analysen auf ihre Dürrereaktion. Das Forschungsteam nutzte diese Beobachtungen für neuartige Bohnen und stellte somit den Wirksamkeitsnachweis zur Verbesserung des Wasserverbrauchs bei Hülsenfrüchten auf den Prüfstand. Zuerst ermittelte es die unterschiedliche Reaktion, welche die Blätter und die Hülse der Garten- und Teparybohne auf Trockenheit zeigten. Dazu wurden der epidermale Wasserverlust sowie das Wachstum und der Ertrag der gesamten Pflanze analysiert und eine Terahertz-Spektroskopie durchgeführt. „Wir konnten Einblick in die abweichende Resistenz gegenüber Wasserknappheit gewinnen, indem wir die Reaktion auf Trockenheit anhand von Entwicklungs-, physiologischen und transkriptomischen Analysen untersuchten“, sagt MSCA-Forschungsstipendiat Caspar Chater.

Die Rolle der Stomata bei der Dürreresistenz

Ein effizienterer Wasserverbrauch lässt sich erzielen, wenn man Merkmale wie die Größe und Dichte in den Stomata der Bohnen verändert. Stomata sind mikroskopische Ventile auf der Blattoberfläche oder der Hülse, die den Wasserverlust und die CO2-Aufnahme für die Photosynthese steuern. „Wir verglichen die Stomata-Eigenschaften von Bohnen und nutzten diese Informationen, um ihre Dürreresistenz zu verbessern. Dazu entwickelten wir „klimagerechte“ Hülsenfrüchte für die Landwirtschaft Lateinamerikas“, erklärt Chater. Eine geringere Dichte der Stomata, wie sie bei Teparybohnen zu finden ist, führt zu einer längerfristigen Erhaltung der Wassermenge und einer besseren stomatären Leitfähigkeit bei Trockenheit. Daher scheinen Teparybohnen im Vergleich zu Gartenbohnen Wasser länger zu bewahren sowie den Gasaustausch und die Verdunstungskühlung bei Wassermangel länger aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse haben auch gezeigt, dass Teparybohnen bei Trockenheit ihre Samenmenge besser erhalten können. „Unserer Meinung nach lässt sich dies darauf zurückführen, dass Teparybohnen den Gasaustausch bei einem extremeren Wassermangel verlängern und CO2 länger bewahren können“, so Chater.

Höhere Toleranz dank Gentechnologie

Das Team untersuchte die unterschiedliche Genexpression der Gartenbohne und der Teparybohne in den Blättern und jungen Hülsen bei Trockenheit. Dazu wurden 24 RNA-Bibliotheken erstellt und sequenziert. Dazu gehören auch epidermale Strukturierungsgene, die wahrscheinlich an der Entwicklung der Stomata von Teparybohnen beteiligt sind. Epidermale Strukturierungsfaktoren (EPF) sind kleine zysteinreiche Peptidsignale, welche die Entwicklung der Stomata beeinflussen. Ein Überschuss an EPF1 oder EPF2 verringert bei vielen Pflanzen die stomatale Dichte, wodurch der Wasserverbrauch und die Trockenheitstoleranz verbessert werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten, ob diese Faktoren das Gleiche auch bei der Gartenbohne erreichen könnten. Dabei fanden sie verschiedene EPF-ähnliche Gene in der Gartenbohne und entwickelten und prüften Überexpressionen anhand der Labormodellpflanze Acker-Schmalwand. „Die Versuche führten zu einem geringeren Anteil der Stomata auf der epidermalen Oberfläche (stomataler Index), was nahelegt, dass EPF von Bohnen die Entwicklung der Stomata bei den Bohnenarten regulieren könnten“, merkt Chater an. Anhand dieser Gene konnte das Forschungsteam die Gasaustauscheigenschaften von Hülsenfrüchten modifizieren, um den Wasserverbrauch und die Trockenheitstoleranz zu verbessern. Durch das Klonen und Manipulieren der Bohnengene sollen Pflanzen entwickelt werden, die weniger Stomata und einen geringeren Wasserbedarf haben. „Indem der Wasserverbrauch von Hülsenfrüchten verbessert wird, fördert Pod Yield Produktionssysteme, die resistenter gegenüber dem Klimawandel sind, verbessert die wirtschaftliche Sicherheit für die Landwirtschaft und bewahrt nachhaltige Quellen für gesunde Nahrungsmittel“, so Chater abschließend.

Schlüsselbegriffe

Pod Yield, Bohne, Wasser, Stomata, Dürre, Teparybohne, EPF, Gartenbohne, epidermale Strukturierungsfaktoren

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