Reis spielt als wichtigstes Grundnahrungsmittel eine entscheidende Rolle und ernährt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Die weltweite Nachfrage steigt aufgrund des Bevölkerungswachstums, veränderter Ernährungsgewohnheiten und weltweit steigender Einkommen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Erträge zunehmend durch die negativen Auswirkungen von gefährdet sind Klimawechsel. Daher besteht ein dringender Bedarf, die Reiserträge deutlich zu steigern.

Eine ermutigende Entwicklung ist, dass eine aktuelle Studie einen ertragssteigernden Prozess aufgedeckt hat, der den Reisertrag um mehr als 50 % steigern könnte.

Tian-Gen Chang, Forschungswissenschaftler in der Plant Systems Biology Group (Leitung von Prof. Xinguang Zhu) am Centre for Excellence in Molecular Plant Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Kollegen entwickelte das Whole-plant Carbon-Nitrogen Interaction (WACNI)-Modell, um das Wachstum von Reispflanzen von der Blüte bis zur Ernte zu simulierenund bietet neue Einblicke in die Kornfüllung – eine Schlüsselphase in der Reisentwicklung.

Eine Illustration einer Reispflanze und der Zusammensetzung des Ernteorgans, das als Ähre bezeichnet wird.

Reisgenetiker und -züchter haben zuvor versucht, den Reisertrag durch eine Erhöhung der Anzahl der Ähren und Ährchen zu steigern. Allerdings wird die potenzielle Produktionssteigerung, die sich aus diesen Schwankungen ergibt, nicht immer vollständig ausgeschöpft, da viele Körner oft leer bleiben. Die Autoren konzentrierten ihre Bemühungen daher auf die Optimierung der Kornfüllung, was eine Wende bei der Ertragssteigerung versprach.

Das WACNI-Modell unterschied sich von früheren Reismodellen dadurch, dass es Pflanzenwachstum und Seneszenz mithilfe eines Bottom-up-Ansatzes und nicht vorab vorgegebener Wachstumsregeln simulierte. „Wir haben ein kinetisches Modell für den grundlegenden Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsel in einer Pflanze entwickelt. Folglich ergeben sich die Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalte sowie die große physiologische Dynamik während der Kornfüllung auf natürliche Weise aus diesem Bottom-up-Modellierungsansatz. Spannend ist, dass die 'in silico „Reis“, das von unserem Modell erstellt wurde, konnte die Kornertragsbildung unter verschiedenen umweltbedingten, agronomischen und genetischen Störungen erfolgreich vorhersagen“, erklärte Chang.

Stellen Sie sich WACNI als eine virtuelle Reispflanze vor. In dieser digitalen Welt konnten die Wissenschaftler 28 Schlüsselfaktoren optimieren, etwa wie schnell Wurzeln Stickstoff aufnehmen, wie schnell Zucker aus Blättern exportiert wird und wie schnell Getreide Zucker verbraucht und wächst, um zu sehen, wie sie sich auf das Pflanzenwachstum und den endgültigen Getreideertrag auswirken der virtuellen Anlage. Dann setzten sie einen „genetischen Algorithmus“ ein, um die besten Kombinationen dieser Faktoren für eine maximale Kornfüllung zu finden.

Ein genetischer Algorithmus ist eine Berechnungsmethode, die von den Prinzipien der natürlichen Selektion und der Genetik inspiriert ist. Durch die iterative Anwendung der Auswahl-, Reproduktions- und Bewertungsschritte erkundet der genetische Algorithmus den Parameterraum und verfeinert schrittweise die Parameterwerte, um die Kombinationen zu finden, die zum höchsten Kornertrag führten. Diese Parameterwerte dienen als definierende Merkmale der „Elite-Ideotypen“ für Reis mit extrem hohen Erträgen.

Wichtige physiologische Merkmale dieser Elite in silico Die Berechnung der Ideotypen ergab eine potenzielle Ertragssteigerung von 54 % gegenüber Standardsorten. Diese Verbesserung wurde durch die Optimierung der Ressourcenverteilung zwischen Pflanzenorganen und der Enzymaktivität in verschiedenen Stoffwechselprozessen erreicht, allerdings mit einer Reduzierung des Stickstoffgehalts im Endkorn um 37 %.

Durch die Optimierung der Ressourcenverteilung zwischen Pflanzenorganen und Enzymaktivität konnte der Getreideertrag im Vergleich zu Standardsorten um 54 % gesteigert werden, allerdings bei einer Reduzierung des Stickstoffgehalts im Endkorn um 37 %.

Bemerkenswert ist, dass die Elite-Ideotypen, unabhängig davon, ob sie über eine höhere oder niedrigere Photosynthesekapazität verfügten oder eine längere oder kürzere Kornfüllsaison hatten, einige gemeinsame Definitionsmerkmale aufwiesen. Am bemerkenswertesten ist die stabile Kornfüllungsrate von der Blüte bis zur Ernte. Weitere Analysen haben gezeigt, dass eine „stabile Getreidefüllung“ als Indikator für ein ausgewogenes Quellen-Senken-Verhältnis während der Getreidefüllungssaison dienen kann, was für einen hohen Ertrag von entscheidender Bedeutung ist.

Aber tun Sie dies in silico Stimmen die Vorhersagen mit den Ergebnissen in der realen Welt überein? Um zu bestätigen, dass die simulierten Merkmale zu realen Ertragssteigerungen führten, bauten die Forscher zwei der neuesten Reissorten mit extrem hohen Erträgen in einer der idealsten Regionen für den Reisanbau an und erzielten letztendlich einen Rekordertrag (21 Tonnen pro Hektar). Rohreis mit 14 % Feuchtigkeitsgehalt). Sie überwachten die Eigenschaften dieser Sorten während der Kornfüllphase. Beim Vergleich der im Feld gemessenen physiologischen Merkmale mit den Vorhersagen des Modells während dieser Phase stellten sie eine signifikante Übereinstimmung fest. Beide in silico und Super-Hochertragsreis hatte eine erhöhte Wurzelstickstoffaufnahme nach der Blüte, einen verringerten nichtstrukturellen Kohlenhydratgehalt der Stängel bei der Ernte, eine allmähliche Verringerung der Blattfläche nach der Blüte, einen konstant niedrigen Kornstickstoffgehalt und vor allem einen bemerkenswert stabilen Korn- Füllrate von der Blüte bis zur Ernte.

Ist es möglich, den Ertrag typischer Reissorten zu steigern, indem man die im Modell identifizierten Schlüsselfaktoren verändert, die die Kornfüllung regulieren? Als das Team sein optimiertes Kornfüllungsmodell auf eine typische Reissorte unter Standardanbaupraktiken anwendete, stellte es fest, dass es den Kornertrag um etwa 30–40 % steigern konnte. Dieser signifikante Anstieg konnte allein durch die Optimierung der Enzymaktivitäten erreicht werden, ohne dass die Größe der Pflanzenorgane in der Blütephase verändert werden musste. Mit Fortschritten in der Genetik und den Genombearbeitungstechnologien könnten solche Verbesserungen möglicherweise in naher Zukunft durch gezielte Gentechnik erreicht werden.

Theoretisch könnte durch die Optimierung der Kornfüllung der Kornertrag einer typischen Reissorte, XS134, bei Standardanbaupraktiken um 30–40 % gesteigert werden.

Ein Parameter, der im Allgemeinen als Ziel zur Ertragssteigerung im Fokus steht, ist die Steigerung der Photosynthese. Die Autoren argumentieren, dass, wenn dies erreicht werden soll, auch die Koordination der Quelle-Senke-Beziehung verbessert werden muss, um sicherzustellen, dass der Anstieg der Kohlenhydrate genutzt werden kann.

Chang kommt zu dem Schluss: „Unser innovativer Rechenrahmen für die Reiskornfüllung unterstreicht die entscheidende Rolle der Koordinierung der Quelle-Senke-Beziehung während der Kornfüllung. Dies sollte neben der Steigerung der Blattphotosynthese ein Schwerpunkt der Pflanzenzüchtung sein. Die in dieser Studie identifizierten molekularen und physiologischen Marker könnten die Entwicklung zukünftiger ertragreicher Reissorten leiten.“

DER ARTIKEL::

Tian-Gen Chang, Zhong-Wei Wei, Zai Shi, Yi Xiao, Honglong Zhao, Shuo-Qi Chang, Mingnan Qu, Qingfeng Song, Faming Chen, Fenfen Miao, Xin-Guang Zhu, Überbrückung von Photosynthese und Ernteertragsbildung mit einem mechanistischen Modell der Kohlenstoff-Stickstoff-Wechselwirkung ganzer Pflanzen, in silico Plants, Band 5, Ausgabe 2, 2023, diad011, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad011

Der für diese Studie verwendete Quellcode sowie die Betriebsbefehle und das Benutzerhandbuch sind für die nichtkommerzielle Nutzung unter frei verfügbar https://github.com/rootchang/WACNI-rice.git.