Klimagerechte Ernte

Ein Team der University of Illinois hat Kartoffeln so gezüchtet, dass sie widerstandsfähiger gegen die globale Erwärmung sind. Unter Hitzewellenbedingungen konnte die Knollenmasse um 30 % gesteigert werden. Diese Anpassung könnte Familien, die auf Kartoffeln angewiesen sind, eine größere Ernährungssicherheit bieten, da es sich dabei oft um dieselben Gebiete handelt, in denen der Klimawandel bereits mehrere Ernteperioden beeinflusst hat.

„Wir müssen Nutzpflanzen produzieren, die häufigeren und intensiveren Hitzewellen standhalten, wenn wir den Bedarf der Bevölkerung an Nahrungsmitteln in den Regionen decken wollen, die am stärksten von Ertragseinbußen aufgrund der globalen Erwärmung bedroht sind“, sagte Katherine Meacham-Hensold, wissenschaftliche Projektleiterin für Verwirklichung einer gesteigerten photosynthetischen Effizienz (RIPE) in Illinois. „Die 30-prozentige Zunahme der Knollenmasse, die wir in unseren Feldversuchen beobachtet haben, zeigt, dass eine Verbesserung der Photosynthese vielversprechend ist, um klimagerechte Nutzpflanzen zu ermöglichen.“

Meacham-Hensold leitete diese Arbeit für RIPE, ein internationales Forschungsprojekt, das darauf abzielt, den weltweiten Zugang zu Nahrungsmitteln durch die Entwicklung von Nutzpflanzen zu verbessern, die Sonnenenergie effizienter in Nahrungsmittel umwandeln. RIPE wurde von 2017 bis 2023 von der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food & Agriculture Research und dem britischen Außenministerium, Commonwealth & Development Office unterstützt und wird derzeit von Bill & Melinda Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One) unterstützt.

Photorespiration ist ein photosynthetischer Prozess, der nachweislich die Kohlenstoffaufnahme und damit den Ertrag von Sojabohnen, Reis und Gemüse um bis zu 40 % reduziert. Photorespiration tritt auf, wenn Rubisco mit einem Sauerstoffmolekül statt mit CO2 reagiert, was etwa 25% der Zeit und noch häufiger in hohe Temperaturen. Pflanzen müssen dann große Mengen an Energie aufwenden, um das durch die Photorespiration entstandene giftige Nebenprodukt (Glykolat) zu verstoffwechseln. Energie, die für stärkeres Wachstum hätte genutzt werden können.

Frühere Mitglieder des RIPE-Teams hatten gezeigt, dass durch das Hinzufügen zweier neuer Gene, Glycolat-Dehydrogenase und Malat-Synthase, zu den Stoffwechselwegen einer Modellpflanze, Sie könnten die photosynthetische Effizienz verbessern. Die neue Genetik verstoffwechselte das Toxin (Glykolat) im Chloroplasten, dem für die Photosynthese verantwortlichen Blattbereich, anstatt es durch andere Regionen der Zelle transportieren zu müssen.

Diese Energieeinsparungen führten zu Wachstumsgewinnen bei einer Modellpflanze, was sich laut dem aktuellen Team in einer erhöhten Masse ihrer Nahrungspflanze niederschlagen würde. Sie sahen nicht nur einen Unterschied, die Vorteile, kürzlich veröffentlicht in Global Change Biology, verdreifachten sich unter Hitzewellenbedingungen, die mit fortschreitender globaler Erwärmung häufiger und intensiver werden.

Anstatt in der Hitze zu verwelken, wuchsen bei den veränderten Kartoffeln 30 % mehr Knollen als bei den Kartoffeln der Kontrollgruppe, wobei die erhöhte Thermotoleranz ihrer photosynthetischen Effizienz voll ausgenutzt wurde.

„Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Studie war der Nachweis, dass unsere gentechnische Veränderung der Photosynthese, die zu diesen Ertragssteigerungen führte, keinen Einfluss auf die Nährstoffqualität der Kartoffel hatte“, sagte Don Ort, Robert Emerson Professor für Pflanzenbiologie und Pflanzenbauwissenschaften und stellvertretender Direktor des RIPE-Projekts. „Bei der Lebensmittelsicherheit geht es nicht nur um die Menge der Kalorien, die produziert werden können, sondern wir müssen auch die Qualität der Lebensmittel berücksichtigen.“

Um die Erkenntnisse des Teams in unterschiedlichen Umgebungen zu bestätigen, sind Feldversuche an mehreren Standorten erforderlich. Die ermutigenden Ergebnisse bei Kartoffeln könnten jedoch bedeuten, dass auch bei anderen Wurzelknollenfrüchten wie Maniok, einem Grundnahrungsmittel in den Ländern Subsahara-Afrikas, das voraussichtlich stark von den steigenden globalen Temperaturen betroffen sein wird, ähnliche Ergebnisse erzielt werden könnten.

DER ARTIKEL::

Meacham-Hensold, K., Cavanagh, AP, Sorensen, P., South, PF, Fowler, J., Boyd, R., Jeong, J., Burgess, S., Stutz, S., Dilger, RN, Lee, M., Ferrari, N., Larkin, J. und Ort, DR (2024), Abkürzen der Photorespiration schützt die Photosynthese von Kartoffeln und den Knollenertrag vor Hitzewellenstress. Global Change Biology, 30: e17595. https://doi.org/10.1111/gcb.17595

Ein leicht verständlicher Kommentarartikel, der diese Forschung in ihren Kontext stellt, ist hier verfügbar: https://doi.org/10.1111/gcb.17609