28.10.2014

Versalzung: Neue Wege in der Pflanzenzucht gefordert


Professor Rainer Hedrich (Foto: Gunnar Bartsch)

Professor Rainer Hedrich (Foto: Gunnar Bartsch)

Blasenzellen auf der Oberfläche eines Quinoa-Blattes. (Foto: Peter Ache)

Blasenzellen auf der Oberfläche eines Quinoa-Blattes. (Foto: Peter Ache)

Die zunehmende Versalzung der Böden bereitet der Landwirtschaft immer größere Probleme und gefährdet die Versorgung einer wachsenden Weltbevölkerung. Wissenschaftler aus Deutschland und Australien schlagen Alarm und fordern neue Anstrengungen bei der Zucht salztoleranter Kulturpflanzen.

Jede Minute gehen auf der Erde drei Hektar landwirtschaftlich nutzbaren Landes durch Versalzung verloren – meist unwiderruflich. Und dort, wo der Anbau auf versalzten Flächen noch möglich ist, sinkt der Ertrag rapide. Damit ist das Ziel, im Jahr 2030 eine Weltbevölkerung von voraussichtlich 9,3 Milliarden Menschen zu ernähren, stark gefährdet.

Wissenschaftler aus Australien und Deutschland fordern deshalb jetzt in der neuesten Ausgabe des Cell Press Journals Trends in Plant Sciences neue Anstrengungen bei der Zucht salztoleranter Pflanzen. Weil die Bemühungen der vergangenen Jahrzehnte auf diesem Gebiet nicht vom angekündigten Erfolg gekrönt waren, schlagen sie vor, einen ganz neuen Weg auszuprobieren. Einer dieser Wissenschaftler ist der Würzburger Biophysiker Professor Rainer Hedrich, anerkannter Experte auf dem Gebiet der Transportprozesse in Pflanzen.

Professor Hedrich, in dem Artikel in Cell plädieren Sie und ihre Kollegen Sergey Shabala und Jayakumar Bose von der University of Tasmania in Australien dafür, spezielle Pflanzen zum Vorbild zu nehmen, die schon jetzt in einer salzhaltigen Umgebung gut gedeihen. Was darf man sich darunter vorstellen? Wir schlagen vor, dass wir von der Natur lernen und Kulturpflanzen dazu bringen das zu tun, was eine spezielle Art von Halophyten – Pflanzen, die an eine salzhaltige Umgebung gewöhnt sind – schon immer tut: Das Salz aus dem Boden zwar aufzunehmen, es aber an einem sicheren Platz zu deponieren, an dem es der Pflanze nicht schaden kann – in ballonähnlichen Strukturen auf der Blattoberfläche, die man Salzblasen nennt.

Wie soll das funktionieren? Im Prinzip muss man dafür „nur“ die entsprechenden Gene in traditionellen Nutzpflanzen einkreuzen. Die Pflanzen entwickeln dann an die erwähnten Blasen und damit Mechanismen zur Salzabscheidung – ohne dass dies einen besonderen Einfluss auf Wachstum und Ertrag hat.

Das klingt ein wenig nach Science Fiction. Wie müssen die notwendigen Schritte aussehen? Seit Kurzem ist beispielsweise das Genom der Zuckerrübe bekannt. Diese gehört zu einer Pflanzenfamilie, in der auch Blasen-tragende Halophyten vorkommen und die entfernt verwandt ist mit dem Getreide Quinoa. Züchtet man nun Quinoa-Pflanzen mal in einer salzreichen, mal in einer salzarmen Umgebung und vergleicht anschließend das Profil der in den Blasenzellen arbeitenden Gene, weiß man hinterher, welche Gene für die Transportmechanismen relevant sind. Denn das ist die Hauptaufgabe: Die Mechanismen zu identifizieren, mit denen diese Pflanzen Salz in externen Speicherorganen absondern.

Und diese Gene wollen Sie dann in andere Pflanzen reinbringen? Genau gesagt einkreuzen oder wecken, wenn sie noch im Hintergrund von Kulturpflanzen schlummern. Wenn die molekularen Mechanismen der Transportsysteme von Salz in die Salzblasen aufgeklärt sind, könnten diese von Züchtern dafür genutzt werden, traditionelle Getreidearten wie Weizen oder Gerste in die Lage zu versetzen, Salz von den photosynthetisch aktiven und salzempfindlichen Gewebestrukturen fern zu halten. Dies könnte einen neuen Weg öffnen, hin zu Getreidesorten mit einer hohen Salz- Toleranz.

Das ist alles? Nicht ganz: Wir müssen diese Pflanzen auch dazu bringen, Blasenzellen zu entwickeln. Was schwierig, aber nicht unmöglich ist. Blasenzellen sind speziell differenzierte Blatthaare, die es an vielen Pflanzen gibt. Die einzelnen Schritte der Haarentwicklung kennen wir bereits von der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. In Zusammenarbeit mit Experten der Blatthaarentwicklung, geht man dann auf die Suche nach Mutanten, bei denen der Schalter im Quinoa-Genom für die Weiterentwicklung des Blatthaar-Vorläufers zu einer Blasenzelle ausgefallen ist. Die Idee ist nun, diese Gene in Salz-sensitive Pflanzen zu übertragen, sodass sie dem Blatt quasi Salz entziehen, wenn die Pflanzen mit einer hohen Salzkonzentration konfrontiert werden.

Welche Pflanzen könnte man auf diese Weise verändern? Im Grunde genommen kann man das mit allen Pflanzen machen. Dazu muss man wissen: Es gibt Pflanzentypen, die keine Haare besitzen, weil ihnen ein bestimmter Transkriptionsfaktor fehlt. Kreuzt man dieses Gen ein, entwickeln auch sie Haare. So könnte man auch mit den spezifischen Genen für die Blasenbildung vorgehen und so „normale“ Pflanzen Salz-resistent zu machen.

Wie lange kann das Ihrer Meinung nach dauern, bis die ersten veränderten Pflanzen auf dem Acker stehen? Der Grundlagenwissenschaftler äußert sich auf solche Fragen nur ungern. Im Labor wird es bei entsprechender Ausstattung etwa ein Jahr dauern, bis man die Gene identifiziert hat, die salzinduziert stärker exprimiert werden. Nach etwa zwei weiteren Jahren sollte man dann sämtliche Stadien so gut untersucht haben, dass man die an der Entwicklung von Salz-speichernden Blasen beteiligten Schlüsselgene kennt. Haare zu erzeugen, halte ich für überhaupt kein Problem. Die Umdifferenzierung von Haaren in Blasenzellen mit Salzspeicherfunktion wird der schwierigste Schritt. Für unser Pilotprojekt, das darauf angelegt ist, beispielsweise Zuckerrüben mit Quinoa-ähnlichen Blasen auszustatten, würde ich erwarten, dass man nach etwa drei Jahren Testpflanzen im Gewächshaus stehen hat.

Wenn man solche Pflanzen hat: Ist dann das Problem mit den versalzenen Böden gelöst? Nein, natürlich verschwindet das Salz nicht. Aber man könnte so bislang Salz-sensitive Nutzpflanzen anbauen, die, wie beispielsweise Quinoa, auf tolerabel versalzten Böden überleben und Ertrag bringen. Denn die Alternative dazu ist momentan: Es wächst dort gar nichts, was Ertrag für menschliche Lebensmittel liefert.

“Salt Bladders: Do they matter?“, Sergey Shabala, Jayakumar Bose, and Rainer Hedrich, Trends in Plant Science, Opens external link in new windowdx.doi.org/10.1016/j.tplants.2014.09.001

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, Opens window for sending emailhedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Zum Hintergrund

In niederschlagarmen Ländern ist die künstliche Bewässerung die Hauptursache der Bodenzerstörung: Die im Wasser enthaltenen Salze verdunsten nicht und reichern sich mit der Zeit im Boden an. Bei starker Bewässerung kann zudem der Grundwasserspiegel steigen, wodurch sich Salze aus dem Gestein lösen und nach oben transportiert werden. Aber auch der Verzicht auf künstliche Bewässerung schützt nicht überall vor Versalzung. Werden in niederschlagarmen Gegenden Wälder in Agrarland umgewandelt, können Salze mit dem dann steigenden Grundwasserspiegel in den Oberboden gelangen.

Wie Pflanzen mit salzreichen Umgebungen zurechtkommen

Pflanzen haben im Laufe der Entwicklungsgeschichte unterschiedliche Methoden entwickelt, um in einer salzhaltigen Umgebung überleben zu können. Mangroven verfügen beispielsweise über Salzdrüsen, über die sie das Salz ausscheiden können. Allerdings müssen sie dafür viel Energie aufwenden. Die Mehrheit der Pflanzen hat einen anderen Weg entwickelt, wie sie das Salz absondern können. So genannte „Excluder“, die nur mit geringen Salzkonzentrationen konfrontiert sind, scheiden aktiv Natrium- und Chlorid-Ionen über die Wurzeln aus. Sukkulenten besitzen in ihrem Inneren Vakuolen, in denen sie Salz in geringen Mengen lagern können. Und dann gibt es Pflanzen, die in der Lage sind, große Mengen von Salz in externen, ballonartigen Strukturen zu speichern. Auf diese Weise halten sie das Salz von den stoffwechselaktiven Zellen der wachsenden Pflanzen fern. Der Durchmesser dieser Blasen ist gut zehn Mal so groß wie der von Zellen der Epidermis. Dementsprechend verfügen sie über ein 1000 Mal so großes Volumen und können 1000 Mal so viel Salz aufnehmen wie normale Blattzellvakuolen.

Von: Gunnar Bartsch

28.10.2014, 18:00 Uhr