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Pflanzenzüchtung

Mit Hightech auf der Suche nach stressresistenten Kartoffeln

Wissenschaftler fanden nach den molekularen Mechanismen, die Kartoffeln resistent gegen den Klimawandel machen.
Wissenschaftler fanden nach den molekularen Mechanismen, die Kartoffeln resistent gegen den Klimawandel machen.Hai Nguyen / Unsplash
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Erdäpfel reagieren empfindlich auf hohe Temperaturen, der Klimawandel macht den Knollen zu schaffen. Forschende der Uni Wien wollen daher mit modernen Analysemethoden widerstandsfähige Sorten untersuchen, damit Züchter resistentere Kartoffeln entwickeln können.

Die Kartoffel ist nach Reis, Mais und Weizen das wichtigste Grundnahrungsmittel der Welt, knapp 460 Millionen Tonnen der stärkehaltigen Knollen wurden laut Vereinten Nationen allein 2018 weltweit angebaut. Sie sind vielseitig einsetzbar, einfach zu kultivieren und haben als Futtermittel oder Industrierohstoff enorme wirtschaftliche Bedeutung. Vor allem ihre Widerstandsfähigkeit gegen harsche klimatische Bedingungen verhalfen den Knollen im 17. und 18. Jahrhundert zum Durchbruch in Europa.

Doch eben diese Eigenschaften werden den Nachtschattengewächsen in einer sich erwärmenden Welt zunehmend zum Verhängnis, erklärt der Biochemiker Markus Teige von der Universität Wien. „Die Kartoffel kommt aus den Anden, den Hochlandregionen Südamerikas, sie ist an kältere Regionen angepasst. Wenn es zu heiß wird, übt das Stress auf die Pflanze aus, die Hitze inhibiert die Knollenbildung. Und auch wenn es nach langer Trockenheit zu starkem Regen kommt und der Boden überschwemmt wird, reagieren Kartoffeln empfindlich.“

Hitze, Trockenheit und Starkregen – Wetterextreme, die durch den Klimawandel stark zugenommen haben. Seit Langem arbeiten Züchter daher daran, neue Sorten zu entwickeln, die besser mit den Klimaveränderungen zurechtkommen. Doch deren Mittel sind begrenzt, so Teige: „Bei klassischen Züchtungen baut man die Pflanzen unter verschiedenen Stressbedingungen an und schaut am Ende der Wachstumsperiode, was dabei rausgekommen ist. Doch dann sind alle Prozesse in den Pflanzen bereits geschehen. Uns geht es darum herauszufinden, was dazwischen passiert.“

Markierte Gene leuchten bei Stress

Von botanischen Modellorganismen, allen voran der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, kennt man zwar die molekularen Reaktionen auf Hitze- oder Trockenstress recht genau. Doch in der Kartoffel sind diese Mechanismen noch relativ unerforscht. Das will Teige ändern: Mit einem groß angelegten Projekt („Adapt“), das mit fünf Millionen Euro aus dem EU-Programm „Horizon 2020“ gefördert wird, will er gemeinsam mit Züchtern und Forschenden aus unterschiedlichsten Disziplinen die molekularen Prozesse gestresster Erdäpfel unter die Lupe nehmen. Das Ziel: Die Mechanismen für Stresstoleranz zu finden, um Züchtern gezielte Kreuzungen zu ermöglichen.

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern kommt dabei zugute, dass Kartoffeln im Gegensatz zu vielen anderen Pflanzen wie z. B. Weizen relativ leicht genetisch verändert werden können. So lassen sich molekulare Prozesse, die den Pflanzen bei Stress helfen – etwa das Schließen der Spaltöffnungen in den Blättern, um weniger Wasser zu verlieren, oder die Regulation des Reifungshormons Ethylen –, durch Transformation (s. Lexikon) markieren und dadurch leichter im lebenden Organismus verfolgen.

Das geschehe aber natürlich nur im Gewächshaus und nicht im Freiland, betont Teige. Es gehe auch nicht darum, Resistenzen durch Genmanipulation zu entwickeln, sondern die molekularen Grundlagen in klassisch gezüchteten, stressresistenten Sorten zu verstehen. Doch auch hier hilft die Genetik: Da Gensequenzierungen inzwischen breit verfügbar und billig sind, existieren zu den meisten Züchtungen auch vollständige genetische Datensätze. „Doch die Daten allein helfen wenig, wenn man nicht weiß, auf welche Gene es ankommt“, so Teige. „Wir wollen diese Lücke schließen, indem wir zunächst die in resistenten Sorten besonders aktiven Gene ermitteln und uns dann genauer anschauen, für welche Prozesse sie verantwortlich sind.“

Dabei komme es aber nicht nur darauf an, ob die Resistenzgene aktiv sind, sondern auch wann – hier hilft die Genmarkierung, die im lebenden Organismus etwa durch fluoreszentes Licht signalisieren, dass sie gerade eingeschaltet wurden. Langfristig will Teige auch Technologien entwickeln, mit denen ohne großen experimentellen Aufwand die Prozesse in den Pflanzen bestimmt werden können. „Es wäre ideal, wenn man ein Gerät hätte, mit dem man einfach anhand der Farbspektren des Blattes beurteilen könnte, ob man gerade noch ein bisschen gießen oder düngen muss.“

Lexikon

Unter Transformation versteht man in der Molekularbiologie die Übertragung von fremden Gensequenzen in einen lebenden Organismus. Bei Pflanzen geschieht das meistens über das Agrobacterium tumefaciens, eine Bakterienart, die zuvor in die Einzeller eingeschleuste DNA-Stücke auf Pflanzenzellen übertragen kann. Damit lassen sich unter anderem sogenannte molekulare Marker in das Genom der Pflanzen einbauen. Sie werden direkt an die DNA-Sequenz des zu untersuchenden Gens angehängt und signalisieren dann durch leicht erkennbare Genprodukte, etwa fluoreszierende Proteine, dessen Aktivität.