Pflanzenzüchtung

Getreide, das der Dürre trotzt

Ein internationales Konsortium unter der Leitung des „International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics“ hat unter Beteiligung eines Forschungsteams um den Systembiologen Wolfram Weckwerth (Universität Wien) das Genom der trockenresistenten Getreidepflanze Pennisetum glaucum (Perlhirse) sequenziert. Sie ist in der Lage, trotz großer Trockenheit und hohen Temperaturen bis zu 42 °C Erträge zu liefern.

Molekularphysiologisches Modell der Trockenresistenz von Perlhirse - adaptiert von Ghatak et al. 2016 (© MOSYS).  

Die natürliche Bandbreite von pflanzlichen Anpassungen an unterschiedliche Klimata ist unüberschaubar. Die Erforschung dieser natürlichen genetischen Biodiversität innerhalb von Pflanzenfamilien, -gattungen und auch Pflanzenarten zählt zu den größten Schätzen der menschlichen Erkenntnis. Genau diese genetische Vielfalt ist auch der Schlüssel, um mit globalen Klimaveränderungen und deren Folgen für die Landwirtschaft umzugehen. Zum Zweck der nachhaltigen Erforschung, Züchtung und Bewahrung der genetischen Vielfalt insbesondere der Nahrungsmittelpflanzen haben sich viele öffentliche Non-Profit-Institute im Rahmen einer internationalen Organisation zusammengeschlossen und sind aktiv in der Forschung, Züchtung und dem Aufbau von Non-Profit-Biobanken beschäftigt.

Perlhirse ist ein Grundnahrungsmittel in verschiedenen Trockenregionen Afrikas, Indiens und Asiens. Perlhirse zeichnet sich durch hohe Resistenz gegen Trockenheit und sehr hohe Temperaturen aus, doch die molekularen Mechanismen sind hierfür unbekannt. „Der erste Schritt, den man in der modernen Biologie heutzutage macht, um einen Organismus, sei es Pflanze, Tier oder Mikrobe, zu verstehen, ist die Sequenzierung seines Genoms, um anschließend das Proteom und das Metabolom zu messen“, erklärt Wolfram Weckwerth. Leiter des Departments für Ökogenomik und Systembiologie und des Vienna Metabolomics Center der Universität Wien.

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Um die molekularen Mechanismen der Widerstandsfähigkeit gegen Trockenstress auf genomischer Ebene, aber auch in weiteren Züchtungsprozessen genau zu untersuchen, hat das internationale Konsortium nicht nur das Genom von Perlhirse entschlüsselt, sondern auch 994 weitere Zuchtlinien bzw. Wildtypen dieser Pflanze sequenziert. In einer weiteren Studie haben Arindam Ghatak, Palak Chaturvedi, Wolfram Weckwerth und weitere Mitarbeiter diese Trocken- und Hitzeresistenz von Perlhirse auf metabolischer und proteomischer Ebene untersucht und damit die ersten molekular-physiologischen Hypothesen aufgestellt, wie diese Pflanze einen Ernteertrag unter extremen Trockenstressbedingungen erhalten kann. Die genomische Information war für diese Studien sehr wichtig.

Publikationen

  • International Pearl millet genome consortium (2017) Pearl millet genome sequence provides a resource to improve agronomic traits in arid environments. Nature Biotechnology. DOI: 10.1038/nbt.3943
  • Ghatak, A., Chaturvedi, P., Nagler, M., Roustan, V., Lyon, D., Bachmann, G., Postl, W., Schrofl, A., Desai, N., Varshney, R. K.,Weckwerth, W. (2016). Comprehensive tissue-specific proteome analysis of drought stress responses in Pennisetum glaucum (L.) R. Br. (Pearl millet). J Proteomics 143, 122-35. DOI: 10.1016/j.jprot.2016.02.032 
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