Blütenfruchtbarkeit in Gerste: Wie man mehr Samen macht

Waren Sie schon mal auf einem Gersten- oder Weizenfeld? Von weitem sehen alle Pflanzen gleich aus. Wenn Sie jedoch genauer hinschauen, werden Sie vielleicht feststellen, dass die Pflanzen sehr unterschiedlich aussehen können: unterschiedliche Pflanzengröße, Blattanzahl, Ährengröße oder sogar die Anzahl der Samen innerhalb einer Ähre kann unterschiedlich sein. Diese Variation kann von Umweltfaktoren wie Lichtintensität oder -Temperatur und/oder genetischer Variation herrühren. Die Variation der Samenanzahl ist angesichts der großen landwirtschaftlichen Bedeutung von Samen von besonderem Interesse. Da Weizen und Gerste zu den wichtigsten Getreidearten in der Landwirtschaft gehören, ist die Steigerung ihres Ertrags entscheidend um Ernährungssicherheit gewährleisten zu können. Früh in der Entwicklung bildet Getreide eine große Anzahl von Blüten, die sich schließlich zu Samen entwickeln können. Doch nur ein gewisser Anteil dieser Blüten entwickelt sich weiter und wird fruchtbar. Die Gründe, warum einige Blüten abgestoßen werden und andere überleben und sich zu Samen entwickeln, sind noch nicht vollständig geklärt. Ein besseres Verständnis der Faktoren, die die Anzahl der Samen bestimmen, ist von entscheidender Bedeutung und könnte die Effizienz von Züchtungsprogrammen zur Steigerung des Kornertrags verbessern. Mein Projekt im Rahmen von CEPLAS zielt darauf ab, die genetischen Grundlagen und Umweltfaktoren zu verstehen, die die Fruchtbarkeit von Gerstenblüten regulieren.

Die Blüten von Getreide sind spezialisierte kurze Ästchen, die sich auf gegenüberliegenden Seiten an der zentralen Hauptachse der Ähre bilden. Dort findet letztendlich die Bestäubung statt und ein Samen wird gebildet (Abbildung 1). In Getreide findet die Blütenentwicklung während der reproduktiven Entwicklungsphase des Lebenszyklus statt und umfasst zwei große Entwicklungsübergänge: Zunächst werden Blütenanlagen initiiert; danach beginnen diese sich zu entwickeln und die Bildung der Blüte beginnt. Zwischen der Entstehung der ersten Blütenanlagen und der Bestäubung können mehrere Wochen vergehen. Jüngste Studien in Getreide haben gezeigt, dass die spätere Entwicklungsphase das Überleben und die Abstoßung der Blüten kontrolliert und stark von den Umweltbedingungen und der Nährstoffverfügbarkeit beeinflusst wird. Für die endgültige Samenanzahl ist daher das Überleben der Blüten wichtiger als die Anzahl der angelegten jungen Blüten.

Die wichtigsten positiven Regulatoren der Blüte in Gerste sind die Gene PHOTOPERIOD 1 (Ppd-H1) und FLOWERING LOCUS T 1 (FT1). Ppd-H1 kontrolliert den Blühzeitpunkt der Pflanze und die Reifung einzelner Blüten und spielt auch eine wichtige Rolle bei der Blütenfruchtbarkeit und der Samenbildung. Bisher wurden FT-ähnliche Gene in Getreiden nur als zentrale Regulatoren für den Übergang vom vegetativen zum reproduktiven Wachstum beschrieben. Die Hypothese, dass sie auch eine Rolle bei der Blütenbildung und deren Fruchtbarkeit spielen, rückt nun immer wieder in den Fokus der Forschung.

Um diese Hypothese zu untersuchen, erzeugten wir eine Population mutierter Gersten und wählten Linien mit Mutationen in den Genen Ppd-H1, FT1 und FT2 aus. Diese Linien wurden auf dem Feld mit der Wildtyp-Kontrolle Antonella angebaut, und die Ährenfruchtbarkeit wurde ausgewertet. Wir beobachteten, dass die Anzahl der Samen pro Ähre in den Mutantenlinien, verglichen mit der Wildtyp-Kontrolle Antonella, stark reduziert ist (Abbildung 2). Die ft1-Mutanten haben das auffallendste Ähren-Erscheinungsbild. Die Ähren der ppd-h1-Mutante scheinen zunächst normal zu sein, aber ein genauerer Blick zeigt, dass viele Samen leer sind. Basierend auf diesem Erscheinungsbild scheint es wahrscheinlich, dass die hier vorgestellten mutierten Gene für die Fruchtbarkeit wichtig sind. Ich untersuche derzeit die Ursache für die eingeschränkte Fruchtbarkeit, und letztlich möchte ich die Rolle, die die FT1-, FT2- und Ppd-H1-Gene in diesem Prozess spielen, bestimmen.

Die Sicherstellung der Ernährungssicherheit ist eine der großen gesellschaftlichen Herausforderungen, vor denen wir heute stehen, weil das derzeitige Nahrungsangebot die in den kommenden Jahren erwartete steigende Nachfrage nicht erfüllen kann. Die Versorgung hängt stark von einer Vielzahl von Faktoren ab, zu denen ein passendes Klima, die Verfügbarkeit von Ackerflächen und Wasser, ertragreiche Kulturpflanzen und gute Vertriebsketten gehören. Um die Herausforderungen unserer zukünftigen Nahrungsmittelversorgung zu meistern, sind alle im gesamten Ernährungssystem involvierten Personen gefragt. Die Rolle der Wissenschaftler in diesem Prozess sollte nicht unterschätzt werden: Innovationen und mehr Wissen können dazu beitragen, landwirtschaftliche Probleme nachhaltig zu lösen.

Dr. Filipa Tomé, Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln
Übersetzt von Rebecca Pieper, Universität zu Köln

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zum Nachlesen

Leonard Gol*, Filipa Tomé*, Maria von Korff (2017) Floral transitions in wheat and barley: interactions between photoperiod, abiotic stresses, and nutrient status. J Exp Bot 2017; 68 (7): 1399-1410

Über die Autorin

Der Beitrag wurde von Filipa Tomé verfasst, die am CEPLAS Postdoc Programm teilnimmt. Filipa untersucht welche genetischen Grundlagen und Umweltfaktoren die Fruchtbarkeit von Gerstenblüten beeinflussen. Mit ihrer Forschung möchte sie einen Beitrag zum weltweit steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln beitragen.

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich