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Solving the tangled ontogenesis of the stem for sustainable crops

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Sind Pflanzenhöhe und Pflanzenform genetisch bedingt?

Form und Höhe einer Pflanze können sich erheblich auf den Ernteertrag auswirken. Doch lassen sich diese Merkmale durch eine Manipulation der Pflanzengene steuern? Zwei Forschende beschäftigen sich mit dieser Frage.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Die Höhe einer Pflanze hat einen großen Einfluss auf den Ernteertrag. Da hohe Pflanzen beispielsweise anfälliger für Wind und Regen sind, halten sie weniger stand. Das schmälert den Gesamtertrag. Um dieses Risiko zu mindern, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kürzere Pflanzen geschaffen, indem sie Veränderungen in einer Gruppe von Genen, den sogenannten DELLAs, vornahmen. Diese Mutationen konnten zwar die Erträge vergrößern, führten aber auch zu einigen unerwünschten Nebeneffekten, wie z. B. einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Trockenheit während der Samenkeimung. „Was wir brauchen, ist ein genaueres Verständnis derjenigen Gene, die steuern, wie hoch eine Pflanze wächst“, sagt Rafael Garcia Tavares, mit einem Stipendium der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen ausgestatteter Forscher am John Innes Centre, einem internationalen Exzellenzzentrum für Pflanzenwissenschaften, Genetik und Mikrobiologie. „Mit diesem Wissen wäre es uns möglich, neue und präzisere Wege zur Verbesserung der Form von Kulturpflanzen zu beschreiten“, fügt Robert Sablowski hinzu, der die Abteilung Zell- und Entwicklungsbiologie am John Innes Centre leitet. Sowohl Tavares als auch Sablowski arbeiten im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SOS-CROPS am Ausbau solcher Erkenntnisse. Das Projekt konzentrierte sich auf das ATH1-Gen, das die Verlängerung des Stängels in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana steuert – einer kleinen blühenden Pflanze, die auch als Ackerschmalwand oder Mausohrkresse bekannt ist. „Wir wussten bereits, dass wir das Stängelwachstum hemmen können, indem wir verändern, wann und wo dieses Gen exprimiert wird“, erklärt Tavares. „In diesem Projekt wollten wir die Funktionsweise von ATH1 verstehen und erforschen, ob sich durch Veränderungen in der regulatorischen Region des Gens die Pflanzenhöhe verändern lässt.“

Lokale Abstimmung des Pflanzenwachstums

So planten die Forschenden ursprünglich, die Pflanzenhöhe zu verringern, indem sie die regulatorische Region von ATH1 veränderten. Theoretisch würde dies seine Expression während der Stängelentwicklung erhöhen, was zu einer kürzeren Pflanze führen würde – mit wenigen Nebenwirkungen. Aber wie so oft in der wissenschaftlichen Forschung verlief die Sache nicht wie geplant. „Die Idee hat nicht funktioniert“, stellt Tavares fest. „Das ist ein Hinweis darauf, dass die Regulierung von ATH1 komplexer ist als anfangs angenommen.“ Doch das war noch kein Grund, aufzugeben. Stattdessen kehrte das Team zurück ins Labor, um zu untersuchen, wie ATH1 funktioniert. Laut Sablowski führte diese Laborarbeit zu wertvollen neuen Erkenntnissen darüber, wie ATH1 die Form einer Pflanze durch lokalisierte Veränderungen in ihrer Reaktion auf Umweltsignale verändert. „Pflanzenorgane verlängern sich als Reaktion auf Licht- und Hormonsignale, und ATH1 wirkt lokal, um diese Reaktion zu hemmen“, erläutert er. „Wir haben auch herausgefunden, dass ATH1- und DELLA-Gene bei der Hemmung des Stängelwachstums zusammenwirken“, ergänzt Tavares. „Die gemeinsame Wirkung beider Gene ist für die charakteristische Rosettenform von Arabidopsis verantwortlich, bei der die Blätter sehr nahe am Boden liegen, im Gegensatz zu der länglichen Form, die man bei vielen ihrer Brassica-Verwandten sieht.“ Basierend auf dieser Erkenntnis untersuchen Tavares und Sablowski nun, wie die Variationen in ATH1 zur Vielfalt der Pflanzenformen unter den Brassica-Arten – wie etwa Kohl, Blumenkohl und Raps – beigetragen haben könnten.

Gestaltung einer wissenschaftlichen Karriere

Dieses Projekt hat nicht nur unser Verständnis dafür verbessert, wie Gene das Pflanzenwachstum beeinflussen, sondern auch Tavares‘ Karriere vorangetrieben. „Die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen haben sich sehr positiv auf meine Zukunftsaussichten ausgewirkt, da ich wichtige berufliche Fähigkeiten und Erfahrungen sammeln konnte, die bei der Suche nach einer unabhängigen Forschungsstelle äußerst hilfreich sein werden“, merkt er an. Tavares gibt an, er wolle seine Forschung im Bereich der Pflanzenentwicklung und der Sprossarchitektur fortsetzen. „Mein ultimatives Ziel ist es, die Wissenschaft und Technologie im Hinblick auf Pflanzen in Richtung einer nachhaltigeren Landwirtschaft voranzubringen“, sagt er abschließend.

Schlüsselbegriffe

SOS-CROPS, Pflanze, Ernteertrag, Nutzpflanzen, Gene, DELLAs, Pflanzenwissenschaft, Genetik, ATH1-Gen

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