Die Welt steht vor der immensen Herausforderung, die Nahrungsmittelproduktivität für ihre wachsende Bevölkerung zu steigern. Da Phosphor (P)-Düngemittel für den Anbau unserer Lebensmittel unerlässlich sind, hat der jährliche Verbrauch von P-Düngemitteln in den letzten Jahrzehnten rapide zugenommen und wird voraussichtlich bis 50 um 100–2050 % steigen. Der Großteil des auf den Boden ausgebrachten P wird jedoch immobilisiert und wird für Pflanzen nicht mehr verfügbar und die Rückgewinnung von aufgebrachtem P durch Feldfrüchte in einer Vegetationsperiode ist oft gering. Darüber hinaus wird P-Dünger hauptsächlich aus dem nicht erneuerbaren Phosphatgestein hergestellt, das voraussichtlich in naher Zukunft zur Neige gehen wird. Es müssen systematische Ansätze zur nachhaltigen und effizienten Nutzung von Boden-P und Dünger-P entwickelt werden, einschließlich der Entwicklung von P-effizienten Pflanzensorten. Genetische Unterschiede in der P-Nutzungseffizienz bestehen zwischen Pflanzenarten und Genotypen innerhalb einer Art, was zeigt, dass es möglich ist, die P-Nutzungseffizienz von Pflanzen durch einen genetischen Ansatz zu verbessern. Herkömmliche Pflanzenzüchtungsmethoden haben sich bei der Züchtung von Nutzpflanzen mit verbesserter P-Nutzungseffizienz als erfolgreich erwiesen.
Weizen ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen der Welt. Die weltweite Weizenproduktion verbraucht jährlich 6 Mt P5O2 (ca. 5 % des P, das von Getreidekulturen verwendet wird), viel mehr als von anderen Getreidearten, einschließlich Reis und Mais, verbraucht wird. Daher ist die Verbesserung der P-Nutzungseffizienz von Weizen wichtig für eine nachhaltige Nutzung von P-Ressourcen. Um Weizen mit verbesserter P-Nutzungseffizienz zu züchten, ist es wichtig, das Pi-Signalnetzwerk in Weizen zu verstehen. Nur wenige durch Pi-Hunger induzierbare Gene wurden kloniert und ihre Expressionsmuster analysiert, sodass das Pi-Signalnetzwerk in Weizen weitgehend unbekannt bleibt. Obwohl über eine Verbesserung der P-Verwertungseffizienz durch transgene Modifikation bei einer Reihe von Feldfrüchten berichtet wurde, fehlen noch Studien zu transgenem Weizen mit verbesserter P-Verwertungseffizienz.
Im Signalnetzwerk bei der Erkennung der P-Verfügbarkeit spielt der Transkriptionsfaktor PHR1 vom Typ MYB-CC (Coiled-Coil) eine zentrale Rolle. Ein aktuelles Papier in Annals of Botany untersucht drei Weizen-PHR1-Gene mit Homologie zu Arabidopsis PHR1 und charakterisiert ihre Rolle bei der Regulierung der Pi-Hungerreaktion. Ta-PHR1-A1 ist an der Pi-Signalübertragung in Weizen beteiligt und erhöht bei Überexpression die P-Aufnahme und den Kornertrag von Weizen. Diese wichtige Forschung fördert das Verständnis der Pi-Signalübertragung in Weizen und stellt eine wertvolle Genressource für die Züchtung von Weizen mit verbesserter P-Nutzungseffizienz und Ertrag bereit.
Ta-PHR1, ein Regulator der Reaktion auf Phosphatmangel, ist an der Phosphatsignalisierung beteiligt und erhöht den Getreideertrag bei Weizen. (2013) Annals of Botany 111 (6): 1139–1153. doi: 10.1093/aob/mct080
Phosphormangel ist weltweit ein wesentlicher limitierender Faktor für den Ernteertrag. Frühere Studien zeigten, dass PHR1 und seine Homologe eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Reaktion auf Phosphatmangel in Pflanzen spielen. Die Funktion von PHR-Homologen in Weichweizen (Triticum aestivum) ist immer noch nicht vollständig verstanden. Ziel der Studie war es, die Funktion von PHR1-Genen bei der Regulierung der Phosphat-Signalübertragung und des Pflanzenwachstums in Weizen zu charakterisieren. Weizen-transgene Linien, die ein Weizen-PHR1-Gen überexprimieren, wurden erzeugt und unter phosphorarmen und -suffizienten Bedingungen in Hydrokultur, einem Bodentopfversuch und zwei Feldexperimenten bewertet. Drei PHR1-homologe Gene Ta-PHR1-A1, B1 und D1 wurden aus Weizen isoliert und die Funktion von Ta-PHR1-A1 analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass Ta-PHR1-A1 die Expression von Ta-PHT1.2 in Hefezellen transkriptionell aktivierte. Die Überexpression von Ta-PHR1-A1 in Weizen regulierte eine Untergruppe von Phosphat-Hunger-Response-Genen hoch, stimulierte die seitliche Verzweigung und verbesserte die Phosphoraufnahme, wenn die Pflanzen in Erde und in Nährlösung gezüchtet wurden. Die Daten aus zwei Feldversuchen zeigten, dass die Überexpression von Ta-PHR1-A1 den Kornertrag durch Erhöhung der Kornzahl pro Ähre erhöhte. TaPHR1 ist an der Phosphatsignalisierung in Weizen beteiligt und war wertvoll bei der molekularen Züchtung von Nutzpflanzen mit verbesserter Phosphornutzungseffizienz und Ertragsleistung.
