Projektverbund BayKlimaFit 2 - Starke Pflanzen im Klimawandel

Universität Regensburg, Lehrstuhl Zellbiologie und Pflanzenbiochemie, Prof. Dr. Thomas Dresselhaus

Das Projekt hatte die Verbesserung der Hitzetoleranz und Reduktion von Ernteverlusten durch Hitze bei Mais zum Ziel. Im Fokus stand, welche molekularen Mechanismen das Pollenschlauchwachstum in hitzegestressten Narbenfäden von Mais beeinflussen.

Es konnte gezeigt werden, dass Hitzestress einen Wachstumsstopp des Pollenschlauchs der Narbenfäden verursacht, was die Kornbildung drastisch reduziert. Am Prozess sind dabei reaktive Sauerstoffformen (ROS) beteiligt, deren Verringerung durch Sprühen von Radikalfängern die Fruchtbarkeit wieder deutlich verbessern konnte. An einer Inzuchtlinie wurden unter Hitzestress unterschiedlich stark genutzte Gene identifiziert, die mit Kandidatengenen aus einem generierten Stress-Atlas für Mais in Verbindung gesetzt wurden. Der Stress-Atlas soll öffentlich zugänglich gemacht werden. Experimente zur Regulierung von Genen in Mais durch sprühinduziertes Gen-Silencing wurden im Projekt etabliert und getestet, wobei eine Reduktion der Expression von Markergenen erreicht werden konnte. Hier bedarf es aber noch einer weiteren Optimierung der Methodik. Insgesamt bilden die Projektergebnisse eine hervorragende Grundlage für weiterführende Studien, um Sorten zu entwickeln, die trotz Hitzestress ausreichend Befruchtung und Kornansatz zeigen.

Fotos: Lehrstuhl für Zellbiologie und Pflanzenbiochemie, Universität Regensburg

Abbildung: Nabenfäden von Mais (links), Pollenschlauch (Mitte), kurze Hochtemperaturepisoden führen zu unvollständigem Kornansatz (rechts).

Technische Universität München, TUM School for Life Science, Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, AG Rohstofforientierte Brau- und Getränketechnologie, Dr.-Ing. Martina Gastl

Mit dem Klimawandel einhergehende Veränderungen wirken sich auf die Stär-kezusammensetzung von Braugerste aus und gefährden die Verarbeitbarkeit in Mälzerei und Brauerei. Es wurden daher in Gewächshaus- und Feldversuchen die resultierende Stärkequalität einzelner derzeit in Bayern verwendeter Braugerstensorten auf die Wetterextreme Trockenheit und Hitze untersucht und anschließend Genexpressionsanalysen durchgeführt.

Ergebnisse: Es zeigte sich, dass die Schmelzeigenschaften von Stärke mit der Temperatur und Stärkekorngrößenverteilung mit den Niederschlagsmengen korrelierten. Es konnten einzelne Gerstensorten identifiziert werden, die insbesondere unter Trockenheit in Hinblick auf die Verarbeitbarkeit geeignetere Stärkestrukturen aufwiesen als die Vergleichssorten. Auch konnten besonders kritische Entwicklungsstadien für eine Veränderung der Mälz-Eigenschaften unter hohen Temperaturen und Trockenheit beschrieben werden. Dieses Wissen fließt nun in Kooperation mit bayerischen Braugerstenzüchtern direkt in die Züchtung trockentoleranter Braugerstensorten ein und leistet so einen Beitrag zur möglichst schnellen Anpassung von Braugerstensorten an den Klimawandel. Das generierte Wissen ist zudem hilfreich bei der Auswahl von Standort und Aussaatzeitpunkt beim Anbau von Qualitätsbraugerste.

Abbildung: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Martina Gastl und M.Sc. Stefan Hör begutachten einen Feldversuch. © Tom Freudenberg/pict-images, Alice Vogel

Technische Universität München, TUM School for Life Science, Professur für Pflanzelnsekten Interaktionen, Prof. Dr. Sara D. Leonhardt

Es sollte geklärt werden, wie sich Veränderungen der Temperatur und Trockenheit auf Bestäubungserfolg und Ertrag bayerischer Kulturpflanzen auswirken. Vielfalt und Bestand von Bestäubern in Agrarlandschaften sollen so gefördert und damit der Ertrag von Bestäubern abhängiger Kulturpflanzen im Klimawandel gesichert werden.

Ergebnisse: Ertragsdaten verschiedener Kulturarten mit unterschiedlicher Bestäuberabhängigkeit wurden aus zwei klimatisch verschiedenen Regionen Bayerns über eine Zeitspanne von mehr als 30 Jahren ausgewertet. Die Gruppe der Obstbäume, die vor allem auf Bienen als Bestäuber angewiesen sind, schien dabei von zunehmenden Temperaturen zu profitieren. Durchgeführte Feldversuche deuten darauf hin, dass viele Schwebfliegenarten kühl-adaptiert sind und mit dem Klimawandel abnehmen. Die Bestäubung scheint hier aber durch Wildbienen zum Teil kompensiert werden zu können. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts machen zudem deutlich, dass zusätzliche Blütenressourcen, wie Blühstreifen oder Ackerwildkräuter, Vorkommen und Vielfalt von Insektenbestäubern erhöhen. Bei den durchgeführten Versuchen konnte dadurch allerdings kein unmittelbarer Vorteil für die Bestäubung nachgewiesen werden. Insektenbestäubung hatte im Vergleich zum Bestäuberausschluss einen leicht positiven Effekt auf die Fruchtmasse. Dies wurde in Klimakammerexperimenten bestätigt. Mit einem Versuch zu Pollenmengen bei Kornblumen konnte gezeigt werden, dass zukünftige Klimaveränderungen die Pollenproduktion von Wildkräutern reduzieren könnten.

Abbildung: Eine Schwebfliege, Verliererin im Klimawandel, auf einer Doldenblüte. © Tom Freuden-berg/pict-images, Alice Vogel

Technische Universität München, Lehrstuhl für Phytopathologie, Prof. Dr. Ralph Hückelhoven

Das Projekt hatte zum Ziel, komplexe Stressantworten der Sommergerste zu verstehen und für die Pflanzenzüchtung nutzbar zu machen. Als Modell diente dabei die unter Trockenstress veränderliche Resistenz der Gerste gegenüber dem Getreidepilz Fusarium culmorum.

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.

Ergebnisse: Unter Verwendung einer Vielzahl von Methoden wurden die Reaktionen der Gerste auf Trocken- und Fusariumstress sowie kombiniertem Stress untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass kombinierter Stress in keiner spezifischen Antwort der Gerste resultiert, sondern die jeweiligen sortenabhängigen Einzelstressantworten widerspiegelt. Für mehrere in BayKlimaFit (2016 - 2019) identifizierte Genexpressionsmarker konnte gezeigt werden, dass sie auch in dem hier erzeugten Datensatz mit Trocken- oder Fusariumstress assoziiert sind. Diese Gene wurden somit unabhängig validiert und bieten weitere Ansatzpunkte für die Aufklärung der den jeweiligen Stressantworten zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Die Untersuchungen zur Verbesserung der Resistenz der Gerste gegenüber Fusarium durch den Einsatz von Biologicals zeigte, dass eine Behandlung mit Chitosan den Befall der Ähre deutlich reduzieren konnte. Allerdings war das Ausmaß der Reduktion abhängig vom Genotyp. Chitosan als Biological ist umweltfreundlich und für den Einsatz in ökologischen Anbausystemen geeignet.

Abbildung: Gerstensorten werden verschiedenen Stressoren ausgesetzt und die darauffolgende Reaktion der Pflanze wird im Detail untersucht. © Ralph Hückelhoven / Lehrstuhl für Phytopathologie, TUM

Universität Regensburg, Lehrstuhl Zellbiologie und Pflanzenbiochemie, AG van der Linde, Dr. Karina van der Linde

Die Infektion von Mais mit dem in Bayern auftretenden Pathogen Ustilago maydis führt zu Maisbeulenbrand und dem Verlust von Biomasse, Kornertrag und Qualität des Ernteprodukts. Bislang wurden keine resistenten Maislinien gefunden. Im Projekt sollten Faktoren identifiziert werden, die die Anfälligkeit bzw. Toleranz gegen das Pathogen beeinflussen. Weiterhin sollte die Applikation von RNAs zum Schutz der Maispflanzen gegen Ustilago getestet werden. Trotz umfangreicher Versuche konnten bisher noch keine effektiven RNA-Anwendungen gegen Ustilago entwickelt werden. Die Untersuchungen zur Aufnahme von exogener RNA sollen daher noch weiter intensiviert werden.

Ergebnisse: Wachstumsversuche des Pathogens bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen zeigen, dass bereits eine geringfügig erhöhte Temperatur (~1,2°C) zu deutlich verstärkten Infektionssymptomen führt. Noch gravierender ist der Effekt bei kurzen Hitzeperioden. Auch setzt die Sporenbildung vergleichsweise früher ein, was bei fortschreitendem Klimawandel zu häufigeren Infektionen und Reinfektionen führen kann. Durch Korrelation der erhaltenen Daten zu Aussehen und Gennutzung konnte ein bisher unbekannter Empfindlichkeitsfaktor identifiziert werden. Im Projekt erarbeitete Ergebnisse sind sowohl wissenschaftlich neu als auch relevant für die züchterische Verbesserung von Maissorten.

Abbildung: Der Pilz Ustilago maydis befällt alle oberirdischen Teile der Maispflanze und verursacht die Krankheit „Maisbeulenbrand“.
© Karina van der Linde, Universität Regensburg

Technische Universität München, Professur für Crop Physiology, Prof. Dr. Gerd Patrick Bienert

Für die Kulturarten Raps und Mais sollten durch Vererbung festgelegte pflanzliche Effizienzmechanismen für die Nutzung des Mikronährstoffs Bor sowie von Wasser speziell unter Trockenstressbedingungen während der kritischen Wachstumsphase im Frühjahr mit viel Bor und Wasserbedarf untersucht und für die Sortenzüchtung verfügbar gemacht werden. In Kombination mit einem optimierten Bor-Düngemittelmanagement ließe sich dadurch eine gesunde Wurzel- und Sprossentwicklung im Frühsommer, selbst bei klimabedingt limitierenden Konditionen, erzielen.

Ergebnisse: Bei Mais wurden erstmals Sortenunterschiede auf genetischer Ebene entdeckt, die die Reaktion der Pflanze unter Bormangel und Wasser-knappheit bestimmen. Bei Raps gelang es, bereits konkrete Bereiche im Erbgut zu identifizieren, die mit der effizienten Nutzung von Wasser und Bor gekoppelt sind. Dies eröffnet vielversprechende Züchtungsstrategien für klimaangepasste, ressourceneffiziente und ertragsstabile Rapssorten. Unter den getesteten Borverbindungen als potenzielle Düngemittel für Raps wirkte sich Borax bei ausreichender Wasserversorgung besonders vorteilhaft auf die Blütenentwicklung aus.
In Kooperation mit Prof. Sara D. Leonhardt (TUM, Professur für Pflanze-Insekten Interaktionen) konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass bei Raps der Ernährungsstatus im Hinblick auf Bor einen signifikanten Einfluss auf dessen Blütenattraktivität für unterschiedliche Bestäuberarten hat. Dies hat Einfluss auf den Bestäubungserfolg und letztlich den Ertrag.

Abbildung: Essentielle Nährstoffe wie Bor (B) erreichen die Pflanzenwurzeln in kritischen Wachstumsphasen im Frühjahr nicht mehr in ausreichendem Maß (Raps mit Mangelsymptomen, links; gesunder Raps, rechts). © Professur für Crop Physiology, Technische Universität München

Technische Universität München, Professur für Pflanzengenetik / Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Abteilung Wurzelbiologie und Mykorrhiza, Prof. Dr. Caroline Gutjahr

Die Symbiose der Pflanzen mit speziellen Bodenpilzen, der sogenannten Arbuskulären Mykorrhiza (AM), verbessert ihre Mineralstoffernährung (z. B. mit Phosphat) und ihre Toleranz gegenüber Stress. Um die Vorteile der AM bei der Züchtung von Kulturpflanzen wie Mais gezielt nutzen zu können, sollen die genetischen Grundlagen der AM aufgeklärt werden.

Ergebnisse: Die Kartierung der AM-Reaktionsfähigkeit von Mais-Linien in einer Hochdurchsatz-Phänotypisierungsanlage wurde durchgeführt. Unter Trockenstress angezogene Maiskeimlinge wurden auf ihre Wachstumsmerkmale untersucht und Anzeichen für Trockenstress wurden bestimmt. Dabei konnten mehrere Erbgutbereiche identifiziert werden, die eine Assoziation zur Trockentoleranz der Pflanzen aufweisen. Die Feinkartierung und eingehendere Analysen stehen noch aus. In Kombination mit den RNA-Analysen der Eltern der Population bilden diese Ergebnisse eine gute Basis für die Identifizierung von Kandidatengenen, die die Trockentoleranz im Keimlingsstadium beeinflussen.

Abb. links: Maispflanzen in der LemnaTec Phänotypisierungsanlage. Abb. rechts: Maiskeimlinge im „Zigarrenrollensystem“. © Luca Maria Scolari, Technische Universität München

Technische Universität München, Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung, Prof. Dr. Dr. h.c. Chris-Carolin Schön

Im Projekt wurde erforscht, wie veränderte Eigenschaften der Blattporen (Spaltöffnungen oder Stomata), die die Wassernutzungseffizienz beeinflussen, sich bei klimawandelbedingten Stressfaktoren auf Wachstum und Ertrag von Mais auswirken. Blattporen regulieren über den Gasaustausch die Photosynthese und den Wasserverbrauch der Pflanzen („Transpiration“) und bestimmen somit die Fähigkeit der Pflanzen, möglichst viel Biomasse bei möglichst geringem Wasserverlust aufzubauen. Ziel war es, einen direkten Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Blattporen und externen Faktoren, wie Hitze, Trockenheit, CO₂-Gehalt der Luft und Pathogenbefall herzustellen, um die Stressresistenz von Mais zu verbessern.

Ergebnisse: Blattporen mit einem geringen Öffnungsgrad wirken sich sowohl unter Trocken- wie auch Hitzestress sowie einer Kombination aus beiden Stressfaktoren positiv auf die Wassernutzungseffizienz aus, unabhängig von den CO₂-Gehalten in der Luft. Pflanzen mit weniger Spaltöffnungen auf ihren Blättern und zugleich einem geringeren Öffnungsgrad der Spaltöffnungen sind widerstandsfähiger gegenüber einer Infektion mit dem Pilzpathogen Cercospora zeaemaydis, allerdings nur in frühen Wachstumsstadien. Das Projekt trug zu einem besseren Verständnis der komplexen Zusammenhänge von Eigenschaften der Blattporen und vielfältigem Umweltstress in Mais bei und wie sich diese auf Ertrag und Widerstandsfähigkeit der Pflanzen auswirken. Diese Erkenntnisse können nun zur Entwicklung neuer klimaangepasster Maissorten und zu einer Verringerung des Wasserbedarfs in der pflanzlichen Produktion beitragen.

Abbildung: Maispflanzen im Feldversuch mit Trockenstress unter einem Regenschutz-Rolldach. © Tom Freudenberg/pict-images

Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, Arbeitsbereich Getreide (IPZ2), Dr. Lorenz Hartl / Helmholtz Zentrum München Research Unit Plant Genome and Systems Biology, Dr. Manuel Spannagl

Ziel dieses Projekts war es, molekulare Marker oder Gene zu finden, die Brotweizen, eine Getreideart, die besonders empfindlich auf Trockenheit reagiert, eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenstress verleihen. Dazu wurde die Bayerische Magic Wheat (BMW)-Population der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft genutzt, die einen hohen Anteil der genetischen Vielfalt der für Bayern relevanten Weizensorten abdeckt und deren Wassernutzungseffizienzen im Feld bereits eingehend geprüft worden sind.

Ergebnisse: Im Projekt wurde die in diesem Weizensortiment vorhandene Vielfalt in der Trockenstresstoleranz mit Hilfe der Isotopendiskriminierung (δ13C/12C) als physiologisches Merkmal für die Wassernutzungsfähigkeit systematisch untersucht. Anhand des Kohlenstoffisotopenverhältnisses (13C/12C) konnten sechs Bereiche im Erbgut identifiziert werden, die als Marker für die Wassernutzungsfähigkeit genutzt werden können. Weizenlinien mit stark kontrastierenden Eigenschaften (geringe bzw. hohe Wassernutzungseffizienz) wurden anschließend ausgewählt und unter standardisierten Bedingungen (bewässert vs. trocken) anhand verschiedener Pflanzenmerkmale umfassend charakterisiert. Dabei konnten signifikante Unterschiede in wichtigen agronomischen Merkmalen, wie z. B. Biomasse, sowohl zwischen Kontroll- und Trockenstressbedingungen, als auch zwischen den Gruppen mit hoher und niedriger Wassernutzungsfähigkeit festgestellt werden. Weitere Analysen führten zu Kandidatengenen im Weizengenom, welche nun als genetische Marker für Trockenstresstoleranz in Züchtungsprogrammen eingesetzt werden können.

Abb. links: Weizenpflanzen in der Hochdurchsatz-Phänotypisierungsanlage, © J.P. Schnitzler, S. Jafarian, Helmholtz Munich, Abb. rechts: Versuchsparzellen mit Weizenlinien aus der BMW-Population, © Tom Freudenberg/pict-images