Auch wenn es nicht besonders aufregend anzusehen ist, oryza sativa (Reis) ist zweifellos eine der wichtigsten Pflanzen auf dem Planeten als Hauptnahrungsquelle für 3.5 Milliarden Menschen. Infolgedessen besteht großes Interesse daran, das Beste aus dem Anbau von Reispflanzen herauszuholen, sowohl durch die Maximierung des Ertrags der Pflanzen als auch durch ihre möglichst widerstandsfähige Haltung gegenüber Stress, dem sie ausgesetzt sein können. Die Identifizierung der genetischen Basis von Merkmalen, die wahrscheinlich den Reisertrag oder die Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbelastungen steigern, ist komplex, da diese Merkmale durch eine Kombination verschiedener genetischer Loci erzeugt werden können und eine geringe Vererbbarkeit aufweisen. Dies ist in den letzten Jahren aufgrund der Fortschritte und der breiteren Verfügbarkeit von Genom- und Phänotypisierungstechnologie einfacher geworden. Darüber hinaus haben Fortschritte bei diesen Techniken eine bessere Information ermöglicht in silico (Computer-)Modelle des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung.
Solche Modelle sind von Interesse, da sie in der Lage sein könnten, Pflanzenreaktionen auf Umweltvariationen durch Bildanalyse-Pipelines genau zu messen und zu quantifizieren und anzuzeigen, wie Pflanzenphänotypen auf Umweltvariationen reagieren. Die aus diesen Modellen gewonnenen Erkenntnisse könnten genutzt werden, um Feldbedingungen aktiv zu optimieren und Reispflanzen gezielt zu verändern, um das Beste aus Reis im Feld herauszuholen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie Open Access in Zeitschrift für experimentelle Botanik, Malachy Campbell und Kollegen Modellieren des Reispflanzenwachstums in Bezug auf die Wasserverfügbarkeit und Verwenden dieses Modells zum Identifizieren von Kandidatengenen, die wahrscheinlich von Interesse für genetische Studien über die Grundlage der Dürrereaktion in Reis sind.
Campbell und Kollegen züchteten verschiedene Akzessionen (genetische Varianten derselben Art) von Reispflanzen und analysierten ihre Phänotypen über einen Zeitraum von 21 Tagen mit einer automatisierten Bildanalysesoftware. Einige Pflanzen wurden bei 90 % Feldkapazität angebaut (100 % Feldkapazität ist der Punkt, an dem der Boden mit Wasser gesättigt ist), und anderen wurde kein Wasser gegeben, bis sie 20 % Feldkapazität erreichten. Aus den Messungen, die sie unter diesen Hochwasser- und Niedrigwasserbedingungen gemacht haben, haben die Autoren eine in silico Wachstumsmodell, das die Beziehung zwischen Sprossbiomasse und Bodenwassergehalt modelliert.
Eine Information, die die Autoren besonders gerne aus ihrem Modell erhalten wollten, ist die Time of Inflexion (TOI) der Wachstumsrate als Reaktion auf Dürre. Mit anderen Worten, der Punkt, nach dem die Dürre beginnt, eine verringerte Wachstumsrate zu verursachen. Wichtig ist, dass das Modell von Campbell und Kollegen feststellt, dass der TOI für größere, schneller wachsende Reisakzessionen, die von Dürre betroffen sind, früher kommt als für kleine, langsam wachsende Reisakzessionen. Dies unterstützt frühere Arbeiten auf diesem Gebiet, die zeigen, dass schnell wachsende Reisakzessionen, obwohl sie aus mancher Sicht wünschenswert sind, in Dürrezeiten wahrscheinlich am meisten zu verlieren haben.
Das vielleicht wichtigste Ergebnis dieser Studie ist die Identifizierung von genetischen Kandidatenregionen, die die Dürrereaktionen von Reispflanzen beeinflussen können. Dazu nehmen Campbell und Kollegen bekannte genetische Daten der von ihnen verwendeten Reisakzessionen und wenden sie auf ihr Modell an. In Übereinstimmung mit Beobachtungen, dass viele Wachstums- und Reaktionsmerkmale von Pflanzen mit mehr als einem genetischen Locus verbunden sind, identifizierten Campbell und Kollegen viele Loci mit geringen Auswirkungen auf dynamische Dürrereaktionen. Die Autoren identifizierten jedoch durchweg einige genetische Kandidatenregionen mit größeren Auswirkungen auf Dürrereaktionen. Eine dieser Regionen enthält ein Gen, von dem bekannt ist, dass es an Reaktionen auf Kältestress in Reis beteiligt ist. Ob dieses Gen auch bei der Reaktion auf Trockenheit eine Rolle spielt, ist nicht bekannt, aber es ist erwähnenswert, dass Kältestress auch zu einer geringen Wasserverfügbarkeit führen kann.
Indem sie feststellen, dass schneller wachsende Reisakzessionen wahrscheinlich am schnellsten unter Dürre leiden, betonen sie, wie wichtig es ist, dies in Zukunft anzugehen. Wie Campbell und Kollegen feststellten: „Weitere Studien sind notwendig, um festzustellen, ob diese Beziehungen entkoppelt werden können, oder um das optimale Gleichgewicht zwischen diesen beiden Attributen zu ermitteln“. Ihre Arbeit zeigt auch zum ersten Mal in Reis, wie in silico Modelle können nützliche Hinweise auf genetische Kandidaten geben, die wahrscheinlich weitere Untersuchungen in unserem Verständnis von Pflanzenreaktionen auf dynamischen Stress verdienen. Die Zeit wird zeigen, ob einer von ihnen es auf das Feld schaffen kann!
