Projektverbund BayKlimaFit 2 - Starke Pflanzen im Klimawandel
Aktuell: Anmeldung zur Abschlusspräsentation am 01.07.2024 in der Residenz München
Die Erfolgsgeschichte von BayKlimaFit wird fortgeschrieben. Der Projektverbund "BayKlimaFit 2- Starke Pflanzen im Klimawandel" hat seine Arbeit am 01.06.2021 mit einer Laufzeit von drei Jahren aufgenommen.
In der zweiten Runde stehen drei wichtige Themen im Zentrum der Forschungsarbeiten:
- Pflanzenqualität, wie z. B. die Knollenqualität der Kartoffel;
- Pflanzengesundheit, darunter der Schutz von Gerste und Mais vor Pilzerkrankungen, und
- Pflanzenversorgung, u. a. mit wichtigen Nährstoffen wie Bor bei Raps und Mais.
Die bereits etablierte Zusammenarbeit von Forschung und Praxis wird durch die anwendungsnahen Projekte weiter gestärkt.
Abbildung: Projektverbund BayKlimaFit 2 – Starke Pflanzen im Klimawandel. Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung, TUM (Schema, Rapsblüte), Thomas Freudenberg, PICT GmbH (Gerste mit Hand, Weizenfeld, Maiskolben), Lehrstuhl für Biochemie, FAU (Kartoffel).
BayKlimaFit 2 ist ein Projektzusammenschluss von 10 Forschungsprojekten und einem Projekt, das die Koordinierung des Projektverbunds übernimmt.
Koordinierung des Projektverbunds BayKlimaFit 2 – Starke Pflanzen im Klimawandel,
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung, Prof. Dr. Chris-Carolin Schön.
Das Projekt ist verantwortlich für die Organisation des Projektverbunds, das Berichtswesen und die wissenschaftliche Kontrolle. Es soll die enge Vernetzung und den Austausch der Projektnehmer, auch über die Schwerpunkte und Kulturarten hinweg, unterstützen, den Verbund bei öffentlichkeitswirksamen Aktivitäten nach außen vertreten sowie die Öffentlichkeitsarbeit über verschiedene Veranstaltungen, Plattformen und Medien koordinieren. So soll u. a. der Transfer der Ergebnisse in Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft verbessert werden.
Thematisch lassen sich die 10 Projekte 3 Schwerpunkten zuordnen:
1) Hochwertige und klimaresiliente Pflanzen
Fertilität und Hitzetoleranz bei Mais
Universität Regensburg, Lehrstuhl Zellbiologie und Pflanzenbiochemie, Prof. Dr. Thomas Dresselhaus
Hitze- und Trockenstress sind zwei Hauptfaktoren, die unmittelbar mit der globalen Klimaerwärmung verknüpft sind und zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Nutzpflanzen sind dabei besonders anfällig, wenn sie diesem Stress zwischen Blütenbildung und Befruchtung ausgesetzt sind.
Bei Diskussionen mit bayerischen Pflanzenzüchtern und Landwirten im Rahmen von BayKlimaFit wurde darauf aufmerksam gemacht, dass Nabenfäden bei Mais sehr hitzestressanfällig erscheinen. Dies trägt vermutlich zu Ertragsverlusten bei, ist bisher aber kaum untersucht.
In Vorarbeiten mit Mais konnte diese Annahme bestätigt werden.
Ziel ist es nun, in Mais Gene zu identifizieren, die mit Anfälligkeit bzw. Toleranz gegenüber Hitzestress verknüpft sind. Genprodukte sollen im Nabengewebe festgestellt und mit einem gentechnikfreien Ansatz über kleine nicht-kodierende RNA-Schnipsel, sog. silencing RNAs (siRNAs), abgeschaltet werden. Die Arbeiten sollen langfristig dazu beitragen umweltfreundliche Methoden zu etablieren, um bereits an Standorte angepasste Nutzpflanzen in besonders empfindlichen Phasen auf den aufgrund des Klimawandels vermehrt zu erwartenden Umweltstress vorzubereiten und so Ertragsverluste zu vermeiden.
Fotos: Lehrstuhl für Zellbiologie und Pflanzenbiochemie, Universität Regensburg
Abbildung: Nabenfäden von Mais (links), Pollenschlauch (Mitte), kurze Hochtemperaturepisoden führen zu unvollständigem Kornansatz (rechts).
Stärkequalität und Trockentoleranz der Braugerste
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, AG Rohstofforientierte Brau- und Getränketechnologie, Dr.-Ing. Martina Gastl
Trocken- und Hitzestress wirken sich nicht nur auf die Menge, sondern auch auf die Pflanzenqualität aus. Für die Nutzung von Pflanzen hat die Qualität einen entscheidenden Einfluss, so auch bei der Braugerste.
Das Projekt untersucht die umweltbedingte Veränderung der Stärkestruktur und -qualität durch den Klimawandel. Es sollen Ansatzpunkte identifiziert werden, die eine nachhaltige Züchtung und Produktion von qualitativ hochwertiger Braugerste trotz Klimawandel sicherstellen.
Die gewonnenen Kenntnisse dienen den bayerischen Braugerstenzüchtern, aber auch Landwirten bei der Sorten- und Standortauswahl sowie Mälzereien bzw. Brauereien.
Ziel ist es, stressresistente Sorten für die Verarbeitungskette zur Verfügung zu stellen und Erkenntnisse und Lösungsansätze für die Pflanzenproduktion im Klimawandel zu erarbeiten.
Abbildung: Stärkekörner einer Braugerstensorte; © Michael Rittenauer, TUM
Knollenqualität und Stresstoleranz von Kartoffel
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl Biochemie, Prof. Dr. Uwe Sonnewald (TP4.1),
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, Arbeitsgruppe IPZ3 a/b, Adolf Kellermann (TP4.2)
Kartoffeln sind nachhaltiges Nahrungsmittel und Rohstoff für vielfältige industrielle Anwendungen. Ziel ist es die Hitze- und Trockentoleranz von Kartoffeln zu erhöhen, um ihren zukünftigen Anbau in Bayern trotz Klimawandel zu gewährleisten. Daher soll die Variabilität der Hitze- und Trockentoleranz im aktuellen Züchtungs- und Sortenmaterial der bayerischen Züchter und in einem breiten Spektrum an zugelassenen Sorten in Gewächshaus- und Feldversuchen ermittelt werden. U. a. wird hierbei erstmals das Wurzelwachstum in einem Lemnatec System, einer vollautomatischen Anlage, mit der im Gewächshaus bestimmte Pflanzenmerkmale erfasst werden, durch bildgebende Verfahren ermittelt.
Mittels genomweiter Assoziationsstudien werden diese phänotypischen Daten mit den genomischen zusammengeführt und relevante Abschnitte im Erbgut identifiziert.
Die weitere Charakterisierung liefert Marker für die Züchtung hitze- und trockentoleranter Kartoffelsorten und Grundlagenerkenntnisse zu molekularen Prozessen, die der Stressanpassung von Kartoffelpflanzen an den Klimawandel zugrundliegen.
In Zusammenarbeit mit den bayerischen Kartoffelzüchtern und der Firma Südstärke werden die erarbeiteten Erkenntnisse in praxisnahen Versuchen validiert und so der bayerischen Landwirtschaft verfügbar gemacht.
Abbildung: Hitze und Dürre hemmen die Kartoffelknollenbildung und vermindern die Stärkegehalte; Sophia Sonnewald, FAU
Fruchtansatz sichern durch Artenvielfalt
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Professur für Pflanzelnsekten Interaktionen, Prof. Dr. Sara D. Leonhardt
Die Bestäubung zahlreicher Kulturpflanzen hängt von blütenbesuchenden Insekten wie Bienen, Fliegen oder Schmetterlingen ab. Auswirkungen des Klimawandels auf die Bestäubung durch Insekten und damit den Ertrag von Kulturpflanzen sind jedoch noch weitgehend unerforscht.
Im Projekt sollen daher Aufnahmen von Blütenbesuchern und Bestäubungsexperimente an ökonomisch bedeutenden Kulturen in den bayerischen Regionen Oberbayern und Unterfranken durchgeführt werden. Dies wird gleichermaßen auf reinen Kulturpflanzen-Feldern, Feldern mit Ackerwildkräutern und Feldern mit angrenzenden Blühstreifen oder nicht bewirtschafteten Flächen geschehen, um die Effekte weiterer Blütenressourcen auf die Bestäubungsleistung zu erforschen. Um den Einfluss von klimawandelbedingten Veränderungen in der Attraktivität von Kulturpflanzen für Bestäuber zu erfassen, soll der gleiche Versuch an im Gewächshaus vorkonditionierten Pflanzen durchgeführt werden.
Basierend auf den Erkenntnissen ist geplant, in Kooperation mit ausgewählten Partnern regional angepasste Empfehlungen zu bestimmten Sorten von Kulturpflanzen und zu Kombinationen von Wild- und Kulturpflanzen zu erarbeiten, um den Ertrag trotz Klimawandel durch die Förderung von Bestäubervielfalt in Agrarlandschaften zu sichern.
Abbildung: Steigende Temperaturen und Trockenperioden üben oft einen negativen Einfluss auf Bestäubergemeinschaften sowie Blütenmerkmale von Kulturpflanzen aus. © Professur für Pflanze-Insekten Interaktionen, TUM
2) Gesunde Pflanzen im Klimawandel
Schutz der Gerste vor Pilzkrankheiten bei Trockenheit
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Lehrstuhl für Phytopathologie, Prof. Dr. Ralph Hückelhoven
Im Projekt sollen komplexe Stressantworten der Sommergerste verstanden und Werkzeuge entwickelt werden, die die nachhaltige Produktion von Gerste unter verschiedenen Klimabedingungen unterstützen.
Als Modell dient dabei die unter Trockenstress veränderliche Resistenz von Gerste gegenüber der Pilzkrankheit Fusariose. Dazu werden unterschiedlich anfällige Gersten mit dem Erreger infiziert und unter Kontroll- und Trockenstressbedingungen untersucht.
In einer Analyse der Genexpressionsdaten sollen Stoffwechselwege der Gerste und einzelne Gene identifiziert werden, die mit Resistenz oder Anfälligkeit verknüpft sind. Zu entwickelnde Marker sollen dann an einem Sortiment von Sommergersten validiert werden und der Züchtungsforschung dazu dienen, klimastabil resistente Gersten zu charakterisieren.
Darüber hinaus sollen Potenziale sog. immunstimulierender Biologicals, das sind natürlich vorkommende, nicht synthetische Stoffe, die sich positiv auf die pflanzliche Immunantwort auswirken, für den biologischen Pflanzenschutz getestet werden.
Letztlich sollen Sommergerstensorten gefunden werden, die besonders stark auf Biologicals reagieren und sich dadurch im Feld vor Fusariose schützen lassen. Modellhaft soll damit geprüft werden, ob genetisch bedingte, verbesserte Immunantworten als neues Zuchtmerkmal in der Pflanzenzüchtung Anwendung finden könnten.
Abbildung: Gerstensorten werden verschiedenen Stressoren ausgesetzt und die darauffolgende Reaktion der Pflanze wird im Detail untersucht. © Ralph Hückelhoven / Lehrstuhl für Phytopathologie, TUM
Stärkung der Krankheitstoleranz bei Mais
Universität Regensburg, Lehrstuhl Zellbiologie und Pflanzenbiochemie, AG van der Linde, Dr. Karina van der Linde
Die für Bayern zu erwartenden klimawandelbedingten Veränderungen z. B. der Temperatur werden vorkommende Interaktionen zwischen Pflanzen und Krankheitserregern beeinflussen. Hierzu zählt auch die Infektion von Mais mit dem in Bayern auftretenden Krankheitserreger Ustilago maydis, die zum Maisbeulenbrand führt und wogegen es weltweit noch keinen Schutz gibt.
Bezogen auf die Anbaufläche (ca. 500.000 ha Ackerfläche) zählt Mais zu den wichtigsten Kulturarten in der bayerischen Landwirtschaft. Mit der Infektion geht ein Verlust von Biomasse, die Verschlechterung der Pflanzenqualität (z. B. Futtereigenschaften) und den Nutzungsmöglichkeiten der Pflanze einher. Bislang wurden keine resistenten Maislinien gefunden, zudem stehen auch keine wirksamen Fungizide für den Feldanbau zur Verfügung.
Post transcriptional gene silencing (PTGS), ein natürlicher Vorgang, der die Ausprägung von Erbinformation in der Pflanze bremst bzw. ausschaltet und bereits erfolgreich im Pflanzenschutz eingesetzt wird, stellt eine neuartige Möglichkeit zum Schutz gegen Maisbeulenbrand dar. Im geplanten Projekt sollen sowohl sorten- als auch temperaturbedingte Unterschiede in der Wechselwirkung zwischen Krankheitserreger und Mais untersucht werden und mittels PTGS ein sorten- und temperaturspezifischer Schutz von Mais gegen Maisbeulenbrand entwickelt werden.
Foto: Karina van der Linde, Universität Regensburg
Abbildung: Der Pilz Ustilago maydis befällt alle oberirdischen Teile der Maispflanze und verursacht die Krankheit „Maisbeulenbrand“.
3) Effiziente Pflanzenversorgung trotz Klimastress
Effiziente Nutzung von Wasser und Bor bei Raps und Mais
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Professur für Crop Physiology, Prof. Dr. Gerd Patrick Bienert
Niederschlagsreiche Winter gefolgt von anhaltenden Trockenperioden im Frühjahr werden nach Klimawandelprognosen in Europa zunehmen. Diese Wetter-Abfolge macht die Wasser- und Nährstoffaufnahme schwierig, da mobile Nährstoffe bis zum Frühjahr ausgewaschen werden und bei anschließenden Trockenperioden die Pflanzenwurzeln nicht mehr erreichen.
Die Verfügbarkeit von Bor ist unter diesen Bedingungen vor allem für Ganzjahresfrüchte wie Winterraps und Sommerfrüchte wie Mais ein kritischer Faktor.
Im Projekt soll Wissen erhalten werden, welches es erlaubt, zukünftig Raps- und Maissorten für die Sortenzüchtung verfügbar zu machen, die Bor und Wasser auch bei Trockenheit besonders wirkungsvoll erschließen und sparsam nutzen können.
Darüber hinaus soll ein optimiertes Düngemittelmanagement mit Bor im Feld erarbeitet werden. Schließlich sollen praxistaugliche Borverbindungen gefunden werden, welche als Düngemittel eine gesunde Entwicklung im Frühsommer selbst bei klimabedingter Wasserknappheit oder Trockenstress ermöglichen.
Foto: Professur für Crop Physiology, TUM
Abbildung: Essentielle Nährstoffe wie Bor (B) erreichen die Pflanzenwurzeln und Sprosse in kritischen Wachstumsphasen im Frühjahr nicht mehr in ausreichendem Maß (Raps mit Mangelsymptom, links; gesunder Raps, rechts).
Stressresistenz durch Symbiose mit Pilzen
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Professur für Pflanzengenetik, Prof. Dr. Caroline Gutjahr
Eine nachhaltige und klimaresiliente Landwirtschaft erfordert die Züchtung von Kulturpflanzensorten, die sowohl stressresistent als auch nährstoffgenügsam sind. Eine Symbiose zwischen Pflanze und speziellen Bodenpilzen (arbuskuläre Mykorrhizapilzen, AM) kann die Stressresistenz und Mineralstoffernährung verbessern. AM werden z. T. schon mit einigem Erfolg in der ökologischen Landwirtschaft eingesetzt.
Um das volle Potenzial dieser Symbiose zu nutzen, fehlen bislang entscheidende Grundlagen.
Dieses Projekt führt die vielversprechenden Ergebnisse aus dem Vorgängerprojekt von BayKlimaFit weiter. Die identifizierten und sich unter Trockenstress in ihrer Wachstumsantwort auf die Bodenpilze stark unterscheidenden Maislinien wurden zu genetisch einheitlichen Linien weiterentwickelt, mit denen nun Genomabschnitte bzw. Gene identifiziert werden können, die für diese unterschiedliche Reaktion verantwortlich sind. Diese können als Marker bei der Züchtung eingesetzt werden, um gezielt Maissorten zu erzeugen, die am meisten von den nützlichen Bodenpilzen profitieren.
Darüber hinaus wird untersucht, ob Signalstoffe der Bodenpilze das Wurzelwachstum fördern und damit die empfindlichen Keimlinge bei Frühjahrstrockenheit unterstützen können.
Fotos: Florian Berger TUM
Abbildung: Versuch zur Bestimmung der AM-Responsivität adulter Maispflanzen (links), Maiskeimlinge in Keimpapierrollen für die Bestimmung des Wurzelwachstums (rechts).
Trockentoleranz durch bessere Wassernutzung
Technische Universität München, TUM School for Life Science, Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung, Prof. Dr. Chris-Carolin Schön
Im Zuge des Klimawandels ist in Bayern mit häufigeren Hitze- und Trockenperioden als bisher zu rechnen. Diese Bedingungen stellen eine Herausforderung an das Wassermanagement von Kulturpflanzen dar. Maislinien mit einer bestimmten genetischen Ausstattung besitzen eine erhöhte Wassernutzungseffizienz, das bedeutet, dass sie besonders gut mit knappem Wasserangebot umgehen können und trotzdem viel Biomasse aufbauen.
Für diese positive Eigenschaft könnten Spaltöffnungen verantwortlich sein, die als mikroskopisch kleine, regelbare Poren in der Blattoberfläche eine Schlüsselrolle bei Transpiration, Photosynthese, Blattkühlung und Abwehr von Krankheitserregern spielen.
In dem Projekt soll untersucht werden, wie veränderte Eigenschaften der Spaltöffnungen sich bei einzelnen Stressfaktoren (Trockenheit, Temperaturextremen, veränderten CO2-Konzentrationen, Infektionen mit Schaderregern) und in Kombinationen verschiedener Stressfaktoren auf Wachstum und Ertrag von Mais auswirken.
Das Projekt trägt somit zu einer verbesserten Anpassung von Mais an zukünftige Klimabedingungen und durch eine Verringerung des Wasserbedarfs zu einem nachhaltigeren Maisanbau in Bayern bei.
Foto: Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung, TUM
Abbildung: Trockenstress im Rollhaus - der Mais rollt seine Blätter ein.
Trockenstresstoleranter Weizen
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüch-tung, Arbeitsbereich Getreide (IPZ2), Dr. Lorenz Hartl Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH (HMGU) Research Unit for Plant Genome and Systems Biology, Dr. Manuel Spannagl
Winterweizen wird u. a. für die Herstellung von Brot verwendet und ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen in Bayern. Leider reagiert er auf klimatische Veränderungen wie Trockenheit und Hitze besonders empfindlich. Im Zuge des Klimawandels gewinnt bei der Züchtung von Brotweizen die Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenheit zunehmend an Bedeutung. Dabei ist das Merkmal „Trockentoleranz“ von mehreren Faktoren abhängig und kann sich sowohl in Zeitpunkt und Pflanzenstadium als auch in der Ausprägung unterscheiden. Deshalb ist es besonders wichtig, herauszufinden, wie dieses komplexe Merkmal in modernen Brotweizensorten vererbt wird. Ausgehend von aktuellem Zuchtmaterial (Bayerische Magic Wheat [BMW]-Population) sollen dazu im Projekt stresstolerante Linien identifiziert und detailliert charakterisiert werden. Dazu werden Weizenpflanzen zunächst unter kontrollierten klimatischen Bedingungen im Gewächshaus gezielt Trockenstress ausgesetzt und die Reaktionen der Pflanzen untereinander verglichen. Anschließend werden stresstolerante Linien unter Freilandbedingungen getestet. Parallel dazu werden die unter Stressbedingungen aktiven Gene analysiert. Dieser kombinierte Ansatz (Verknüpfung von Daten aus Gewächshaus- und Feldversuchen mit Analysen auf molekularer Ebene) erlaubt es, für Trockenstresstoleranz verantwortliche Gene ausfindig zu machen, die dann in Form von biologischen Markern für die gezielte Auswahl trockenstresstoleranter Weizenlinien der bayerischen Weizenzüchtung zur Verfügung stehen.
Foto: Lorenz Hartl, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL)
Abbildung: In der Bayerische Magic Wheat [BMW]-Population ist die Vielfalt von Weizen vertreten
Laufzeit
01.06.2021 – 31.05.2024
Finanzierungssumme
2,9 Millionen Euro
Pressedownload: Projektbeschreibungen als PDF-Dateien
- Koordinierung des Projektverbunds BayKlimaFit 2 – Starke Pflanzen im Klimawandel
- Fertilität und Hitzetoleranz bei Mais
- Stärkequalität und Trockentoleranz der Braugerste
- Knollenqualität und Stresstoleranz von Kartoffeln
- Fruchtansatz sichern durch Artenvielfalt
- Schutz der Gerste vor Pilzkrankheiten bei Trockenheit
- Stärkung der Krankheitstoleranz bei Mais
- Effiziente Nutzung von Wasser und Bor bei Raps und Mais
- Stressresistenz durch Symbiose mit Pilzen
- Trockentoleranz durch bessere Wassernutzung
- Trockenstresstoleranter Weizen