Maniok

In den Tropen, Maniok rangiert an dritter Stelle als Kalorienquelle direkt hinter Reis und Mais und wird typischerweise von ressourcenarmen Kleinbauern auf Randgebieten angebaut. Als von Natur aus dürretolerante Kulturpflanze ist sie ein wichtiges Grundnahrungsmittel für viele Bevölkerungsgruppen, die anfällig für Ernährungsunsicherheit sind. Maniok wird jedoch oft als armer Cousin in der Familie der Grundnahrungsmittel der Welt angesehen.

Angesichts des begrenzten Ackerlandes und des Bevölkerungswachstums, das durch die Auswirkungen des Klimawandels noch verstärkt wird, ist die Verbesserung und erweiterte Einführung von Pflanzen, die für das Wachstum mit begrenzten Wasserressourcen auf Randgebieten geeignet sind, von entscheidender Bedeutung, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten. In Subsahara-Afrika und in weiten Teilen der Tropen und Subtropen ist die Entwicklung und Verwendung von Pflanzensorten mit hoher Wassernutzungseffizienz besonders wichtig für Randgebiete mit schlechten Böden, unzuverlässigen Niederschlägen und wo Bewässerung nicht verfügbar oder für Ressourcen unerschwinglich ist -Arme Bauern. In dieser Hinsicht verdient Maniok besondere Aufmerksamkeit wegen seines Status und seines weiteren Potenzials sowohl als Nahrungsmittelsicherheit als auch als Geldernte für die meisten Haushalte, die in Randgebieten der Tropen und Subtropen leben.

Es wurde geschätzt, dass Feuchtigkeits- oder Dürrestress die nachteiligsten Umweltbelastungen für Pflanzen sind und für über 70 % der potenziellen landwirtschaftlichen Ertragsverluste weltweit verantwortlich sind. In Afrika wird der Maniok-Wachstumszyklus typischerweise durch eine 3–6-monatige Dürre unterbrochen, was verschiedene pflanzenphysiologische Prozesse beeinflusst, was zu einem Rückgang des Wachstums, der Entwicklung und des wirtschaftlichen Ertrags führt. Im Allgemeinen kann Maniok erheblichen Perioden von Trockenstress standhalten. Das verfügbare Keimplasma weist jedoch eine Reihe von Trockenheitstoleranzen auf, und sein Wachstum und seine Produktivität in Randbereichen werden durch starken Trockenstress eingeschränkt, insbesondere in den frühen Wachstumsstadien. Die Entwicklung von Maniok-Sorten mit von Landwirten bevorzugten Merkmalen und erhöhter Trockenheitstoleranz wird ihren erweiterten Anbau und höhere Erträge in Randgebieten ermöglichen.

Angesichts der inhärenten Herausforderungen der Maniok-Züchtung kann ein Verständnis der molekularen Grundlagen der Maniok-Dürrereaktionen und -toleranz bei der Entwicklung geeigneter Sorten sehr hilfreich sein. Die konventionelle Züchtung wurde durch die hohe Heterozygotie von Maniok, den Genotyp durch Wechselwirkungen mit der Umwelt, den langen Lebenszyklus und die begrenzte Saatgutproduktion behindert, während die molekulare Züchtung durch begrenzte Informationen über genomische Regionen und Gene behindert wird, die mit der Dürretoleranz von Maniok in Verbindung stehen. Bemühungen zur Verbesserung der Wassernutzungseffizienz von Maniok durch konventionelle Züchtung waren in vielen Teilen der Welt begrenzt. Zuchtprogramme in Lateinamerika haben erfolgreich Keimplasma mit erhöhter Dürretoleranz identifiziert, mit 2- bis 3-facher Ausbeute typischer Maniok-Genotypen unter halbtrockenen Bedingungen.

Die Pflanzentoleranz gegenüber Trockenstress ist ein komplexes Merkmal mit mehreren interagierenden Schichten molekularer und physiologischer Reaktionen. Trockenstressreaktionen und Toleranzgene wurden in einer Reihe von Pflanzenarten gut charakterisiert, was Einblicke in die beteiligten allgemeinen Wege und potenziellen Toleranzmechanismen und Gene in anderen Arten gibt. Pflanzenresistenz gegen Trockenstress kann erreicht werden durch Flucht (z. B. frühe Blütezeit in trockeneren Umgebungen), Vermeidung (z. B. Transpirationskontrolle durch Stomata und Entwicklung ausgedehnter Wurzelsysteme), phänotypische Flexibilität, Wassereinsparung im Gewebe, antioxidative Abwehr, Regulierung des Pflanzenwachstums durch Hormone und osmotische Anpassung. Trockenstress induziert die Akkumulation von Metaboliten und dürrebedingten Proteinen.

Ökophysiologisch wurden Mechanismen der Trockenheitstoleranz bei Maniok identifiziert, wie z. B. Vermeidung, durch teilweise Schließung der Stomata, um die Transpiration zu reduzieren, Entwicklung ausgedehnter Wurzelsysteme und proportional strategische Reduzierung der Blattkrone; In einigen Studien wurde jedoch eine stärkere Blattretention mit Trockenheitstoleranz korreliert, sodass die Beziehung zwischen Blattretention und Trockenheitstoleranz vom Genotyp und wahrscheinlich von Umweltfaktoren (z. B. Schwere der Dürre) abhängt. Während eine begrenzte Anzahl von molekularen Studien normalisierte exprimierte Sequenz-Tag-Bibliotheken von Maniok unter Dürrestress sequenziert hat, wurden keine molekularen Studien durchgeführt, die die Genexpression in einzelnen oder kontrastierenden Maniok-Genotypen unter Bedingungen quantifizieren, die denen im Feld ähneln, was die Identifizierung von ermöglichen würde sowohl Dürre-responsive als auch Dürre-Toleranz-Gene, die für Maniok-Dürre-Verbesserungsbemühungen am relevantesten sind.

Eine neue Studie zum Open-Access-Journal AoB PLANTS hat den dürretoleranten und dürreanfälligen Status verbesserter und von Landwirten bevorzugter Manioksorten bestätigt, die jetzt Teil des Keimplasmas sind, das in das Züchtungsprogramm des National Crops Resources Research Institute in Uganda integriert wird, um gemeinsam mit anderen Landwirten dürretoleranten Maniok zu entwickeln -bevorzugte Eigenschaften. Die morphologischen und physiologischen Reaktionen der beiden Genotypen auf Trockenstress wurden bewertet. Die relativen Expressionsniveaus von Genen, von denen zuvor gezeigt wurde, dass sie funktionell an Trockenstressreaktionen bei anderen Arten beteiligt oder damit assoziiert sind, wurden ebenfalls analysiert. Diese Studie bietet eine allgemeine Charakterisierung der Trockenheitsreaktionen in Maniok und liefert expressionsbasierte Marker und Kandidatengene für die Dürretoleranz für laufende Bemühungen zur Verbesserung von Maniok. Ein molekulares Verständnis der Dürrereaktionen dieser dürretoleranten Art kann auch Erkenntnisse zur Erhöhung der Dürretoleranz dürreempfindlicherer Arten liefern.

Physiologische und molekulare Charakterisierung von Dürrereaktionen und Identifizierung potenzieller Toleranzgene in Maniok. (2013) AoB PLANTS 5: plt007 doi: 10.1093/aobpla/plt007
Abstract

Maniok ist eine wichtige Wurzelpflanze für ressourcenarme Landwirte in Randgebieten, wo ihre Produktion Dürrestress ausgesetzt ist. Angesichts der mit der Maniokzüchtung verbundenen Schwierigkeiten wird ein molekulares Verständnis der Dürretoleranz bei Maniok bei der Identifizierung von Markern zur Verwendung in der markergestützten Selektion und von Genen für die transgene Verbesserung der Dürretoleranz helfen. Diese Studie wurde durchgeführt, um mögliche Dürretoleranzgene und expressionsbasierte Marker für Dürrestress in Maniok zu identifizieren. Eine dürretolerante (verbesserte Sorte) und eine dürreanfällige (von Landwirten bevorzugte) Maniok-Landrasse wurden im Gewächshaus unter gut bewässerten und wasserstressigen Bedingungen gezüchtet. Ihre morphologischen, physiologischen und molekularen Reaktionen auf Trockenheit wurden charakterisiert. Morphologische und physiologische Messungen weisen darauf hin, dass die Toleranz der verbesserten Sorte auf Trockenheitsvermeidung durch Verringerung des Wasserverlusts durch teilweisen Verschluss der Stomata beruht. Zehn Gene, von denen zuvor biologisch validiert wurde, dass sie bei anderen Pflanzenarten Dürretoleranz verleihen oder damit in Verbindung stehen, wurden bei Maniok als auf Dürre ansprechend bestätigt. Vier Gene (MeALDH, MeZFP, MeMSD und MeRD28) wurden als Kandidatengene für Maniok-Dürretoleranz identifiziert, da sie ausschließlich im dürretoleranten Genotyp auf vergleichbare Niveaus hochreguliert wurden, von denen bekannt ist, dass sie anderen Arten Dürretoleranz verleihen. Basierend auf diesen Genen stellen wir die Hypothese auf, dass die Grundlage der Toleranz auf zellulärer Ebene wahrscheinlich in der Milderung des oxidativen Ausbruchs und der osmotischen Anpassung liegt. Diese Studie liefert eine erste Charakterisierung der molekularen Reaktion von Maniok auf Trockenstress, der Feldbedingungen ähnelt. Die auf Trockenheit ansprechenden Gene können nun als expressionsbasierte Marker für Trockenstresstoleranz in Maniok verwendet werden, und die Kandidaten-Toleranzgene können im Zusammenhang mit der Züchtung (als mögliche quantitative Trait-Loci) und der Entwicklung von Trockentoleranz in Transgenen getestet werden.

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