Die Resilienz der Natur für dürreresistente Kulturpflanzen nutzen

Im Angesicht der zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels und ausgedehnten Dürrezeiten, sollen über das EU-finanzierte Projekt RESIST die Auswirkungen auf die Ernteerträge und -qualität reduziert werden. Durch Forschung zu den Überlebensmechanismen von „Auferstehungspflanzen“ wollte das Projektteam die Zukunft der Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen revolutionieren.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Auferstehungspflanzen wie die Haberlea rhodopensis und Xerophyta viscosa haben die außergewöhnliche Fähigkeit, extreme Austrocknung des vegetativen Gewebes zu überleben. Sie können bis zu 95 % des Wassergehalts verlieren und bei Rehydrierung ihre normalen physiologischen Funktionen wieder aufnehmen. Somit sind sie ideal, um zu erforschen, wie Nutzpflanzen Dürren überleben könnten.

Landwirtschaft durch Genomik voranbringen

Unterstützt über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) wurden im Projekt RESIST(öffnet in neuem Fenster) fortschrittliche Ansätze der „-omik“ eingesetzt – darunter Genomik, Transkriptomik und Metabolomik –, um die molekularen und genetischen Grundlagen der Resilienz dieser Pflanzen zu entschlüsseln. „Wir wollten die verfügbare Datenmenge zu Auferstehungspflanzen drastisch vergrößern“, sagt Veselin Petrov, Leiter der Finanzierungsabteilung am Center of Plant Systems Biology and Biotechnology(öffnet in neuem Fenster) (CPSBB) in Bulgarien. „Wir haben die Genome einer Art sequenziert, die in Bulgarien beheimatet ist, und von drei Arten, die in Südafrika beheimatet sind, und so große Datenmengen für Big-Data-Analysen, Transkriptomik, Metabolomik und mehr generiert.“ Die Forschenden haben die Gene und Pfade bestimmt, mit denen die Pflanzen Trockenheit überleben und sich an sie anpassen, um diese Merkmale auf Nutzpflanzen zu übertragen. „Der Bereich steckt noch in den Kinderschuhen, aber indem wir komplementäre Ansätze kombinieren, ebnen wir den Weg für künftige Anwendungen in der Pflanzenzucht“, erklärt Petrov. Koordiniert über das CPSBB in Bulgarien kamen bei RESIST renommierte Institute zusammen, darunter das Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie(öffnet in neuem Fenster) in Deutschland, die Ben-Gurion-Universität des Negev(öffnet in neuem Fenster) in Israel und die University of Cape Town(öffnet in neuem Fenster) in Südafrika. Über diese internationale Zusammenarbeit war die umfassende Erforschung der Pflanzenresilienz sichergestellt. Insgesamt 33 Forschende nahmen an den Entsendungen teil.

Vom Labor ins Feld

Einer der Haupterfolge im Projekt war der Einsatz von molekularem Priming, bei dem Pflanzen mit bioaktiven Substanzen behandelt werden, um die Stresstoleranz zu erhöhen. „Wir haben einen Extrakt aus Algen aus dem Atlantischen Ozean verwendet, um die Leistung der Nutzpflanzen bei Trockenheit zu verbessern“, ergänzt Petrov. „Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Bei den Versuchen mit Beerenkulturen ist nicht nur der Ertrag gestiegen, auch die Sonnenflecken, ein Makel für die Marktqualität von Himbeeren, traten weniger auf.“ Das aus den Auferstehungspflanzen gewonnene Wissen könnte auch für die Landwirtschaft von großer Bedeutung sein. Mit dürreresistenten Merkmalen in Grundnahrungsmitteln könnten Sorten angebaut werden, die auch bei wasserarmen Bedingungen Erträge abwerfen. Mehr Pflanzenresistenz bedeutet auch, dass nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken eingesetzt werden können. Dürreresistente Nutzpflanzen müssen weniger bewässert werden: Das spart Wasserreserven und reduziert den ökologischen Fußabdruck der Landwirtschaft. Das steht im Einklang mit den weltweiten Bemühungen für nachhaltige Nahrungsmittelerzeugung. Das RESIST-Team hat bereits bedeutende Meilensteine erreicht, darunter die Sequenzierung und Annotation von drei Genomen (Haberlea rhodopensis, Xerophyta elegans und Xerophyta humilis). Zudem wurden vierzehn Gene bestimmt, die mit der Austrocknung und anderer extremer Stresstoleranz bei H. rhodopensis im Zusammenhang stehen könnten. Eine Funktionsanalyse wird derzeit durchgeführt. Bei weiteren Versuchen zu neun Nutzpflanzen (Gerste, Tomate, Paprika, Aubergine, Kartoffel, Salat, Himbeere, Heidelbeere und Zwiebel) wurden die verbesserte Stressresistenz und die höheren Erträge durch molekulares Priming nachgewiesen.

Die Zukunft der Landwirtschaft

Der Klimawandel ist eine Gefahr für die landwirtschaftliche Produktivität, doch das RESIST-Team könnte praktische Lösungen bereitstellen. Indem es die natürliche Resilienz der Auferstehungspflanzen nutzt, könnten Sorten entwickelt werden, die auch bei ökologischem Stress gedeihen. Das ist nicht nur für die Ernährungssicherheit in Europa gut, sondern auch für nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken, um eine stabile Sicherheit für die Landwirtschaft der Welt zu gewährleisten. RESIST diente auch als Inspiration für weitere Forschung. „Dank des Projekterfolgs sind wir jetzt an zwei weiteren EU-finanzierten Projekten beteiligt, CropPrime und BOOSTER, in denen die Pflanzenresilienz gestärkt und Biostimulanzien für Dürreresistenz optimiert werden“, sagt Petrov. „Wir haben die ersten Schritte unternommen, aber diese Arbeit ist noch lange nicht beendet.“