Die nächste Agrarrevolution ist da
Da eine wachsende Bevölkerung und der Klimawandel die Ernährungssicherheit bedrohen, arbeiten Forscher auf der ganzen Welt daran, die Herausforderungen zu bewältigen, die die Ernährungsbedürfnisse von Mensch und Tier bedrohen. Ein Paar Wissenschaftler argumentiert nun, dass das Wissen und die Instrumente vorhanden sind, um die nächste Agrarrevolution zu erleichtern, die wir so dringend brauchen.
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Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) Professor Zach Lippman, ein Ermittler des Howard Hughes Medical Institute, hat sich kürzlich mit Yuval Eshed, einem Experten für Pflanzenentwicklung am Weizmann Institute of Science in Israel, zusammengetan, um den aktuellen und zukünftigen Stand der Pflanzenwissenschaft und Landwirtschaft zusammenzufassen.
Ihr in Science veröffentlichter Bericht, Städtebeispiele aus den letzten 50 Jahren biologischer Forschung, zeigt die wichtigsten genetischen Mutationen und Veränderungen auf, die zu landwirtschaftlichen Revolutionen geführt haben. Dazu gehören das Abstimmen der Blühsignale einer Pflanze, um den Ertrag anzupassen, die Schaffung von Pflanzen, die mehr Dünger oder verschiedene Klimazonen vertragen, und die Einführung von Hybridsaatgut, um das Wachstum zu steigern und Krankheiten zu widerstehen.
Solche nützlichen Veränderungen wurden zunächst durch Zufall entdeckt, aber die moderne Genomik hat gezeigt, dass die meisten von ihnen in zwei grundlegenden Hormonsystemen verwurzelt sind: Florigen, das die Blüte steuert; und Gibberrellin, das die Stammhöhe beeinflusst.
Lippman und Eshed gehen davon aus, dass im Zeitalter der schnellen und genauen Genaufbereitung die nächsten Revolutionen nicht auf Zufallsentdeckungen warten müssen. Stattdessen können durch die Einführung einer Vielzahl von Kulturen bei Veränderungen in diesen Kernsystemen die Voraussetzungen geschaffen werden, um eine Vielzahl von Herausforderungen der heutigen Zeit zu bewältigen.
Zwergen- und Blumenkraftdrehungen
Um ihren Standpunkt zu erklären, überprüften die Wissenschaftler die Forschung, die sich auf Schlüsselmomente der Agrargeschichte wie die Grüne Revolution konzentrierte.
Vor den 1960er Jahren führte die Düngung für einen großen Weizenertrag dazu, dass die Pflanzen zu hoch wurden. Gewichtig mit ihrer körnigen Prämie, würden sich die Weizenstiele falten und verrotten, was zu Ertragseinbußen führte. Erst nachdem Nobelpreisträger Norman Borlaug begann, mit Mutationen zu arbeiten, die das Gibberellin-System betreffen, wurde Weizen zur kürzeren und zuverlässigeren Kulturpflanze, die wir heute kennen. Borlaug's Zwergenjagd wurde auch auf Reis angewendet und half vielen Feldern, Stürme zu überstehen, die noch Jahre zuvor katastrophal gewesen wären. Diese erneute Anwendung der gleichen Technik auf eine andere Anlage deutete darauf hin, dass ein Kernsystem im Spiel war.
Jüngere Beispiele wie Lippman und Eshed erwähnen unter anderem die Veränderungen, die der Baumwollanbau in China erfahren hat. Dort verwandelten die Züchter die normalerweise weitläufige, südliche Plantagenpflanze in einen kompakteren, schneller blühenden Strauch, der besser für das nördliche Klima Chinas geeignet ist. Um dies zu tun, nutzten sie eine Mutation, die Florigen betrifft, die die Blüte fördert, und ihr Gegenteil, Antiflorigen.
Diese Art von Veränderung steht im Zusammenhang mit Lippmans Werken. Er arbeitet oft mit Tomaten und erklärt, dass eine Antiflorigen-Mutation in Tomaten auch der Katalysator war, der die mediterrane Weinkultur in die kräftigen Sträucher verwandelte, die heute in großen landwirtschaftlichen Systemen auf der ganzen Welt wachsen. Auffällig ist, so Lippman, dass Baumwolle ganz anders ist als jede Tomate.
"Sie sind evolutionär sehr unterschiedlich in Bezug auf die Phylogenie der Pflanzen. Und trotzdem ist das, was eine Pflanze dazu bringt, von der Herstellung von Blättern zur Herstellung von Blumen überzugehen, dasselbe", sagte er. "Dieses Kernprogramm ist tief erhalten."
Feinabstimmung einer Revolution
Wie die Überprüfung zeigt, hat sie definiert, was eine Agrarrevolution ausmacht. Ein Kernsystem - entweder Gibberellin, Florigen oder beide - ist von einer Mutation betroffen, was zu einer hilfreichen Eigenschaft führt. In einem Moment des reinen Glücksfalls werden die Pflanzen mit dieser Eigenschaft dann von der richtigen Person entdeckt.
Es braucht dann noch viel mehr Jahre mühsamer Züchtung, um die Intensität dieser Mutation zu verändern, bis sie das System genau richtig für eine nachhaltige Landwirtschaft beeinflusst. Es ist wie das Stimmen eines Instruments, um den perfekten Klang zu erzeugen.
Lippman und Eshed stellen fest, dass die CRISPR-Genbearbeitung diesen Tuning-Prozess beschleunigt. Sie zeigen jedoch, dass die beste Anwendung der Genbearbeitung nicht darin besteht, bereits bestehende revolutionäre Mutationen zu optimieren, sondern neue zu identifizieren oder einzuführen.
"Wenn die bisherige Abstimmung genetische Variationen um diese beiden Kernsysteme herum erzeugt hat, können wir vielleicht mehr Vielfalt innerhalb dieser Systeme schaffen", sagte er. "Es würde sicherlich den Aufwand für dieses Tuning verringern und birgt das Potenzial für einige Überraschungen, die die Produktivität der Pflanzen weiter steigern oder die Pflanzen schneller an neue Bedingungen anpassen könnten."
Eine Zukunft in.... Kichererbsen?
Mehr von dieser genetischen Vielfalt könnte auch die Voraussetzungen für neue landwirtschaftliche Revolutionen schaffen. Durch die Einführung der genetischen Variation in die beiden Kernsysteme, die die meisten Revolutionen definieren, könnten die Bauern das glückliche Warten überspringen. Kichererbsen sind ein Beispiel dafür.
"Es gibt viel mehr Raum für uns, um mehr genetische Vielfalt zu schaffen, die die Produktivität steigern und das Anpassungsüberleben in Randgebieten wie bei Dürre verbessern könnte", sagte Lippman.
Trockenheitsresistenz ist nur ein Vorteil von nicht ausreichend genutzten Kulturen. Frühere Revolutionen haben es ermöglicht, dass die Pflanzen fruchtbarer werden oder in völlig neuen Hemisphären wachsen. Ein Mittel zu haben, um diese Revolutionen mit mehr Ernten und einer größeren Häufigkeit fortzusetzen, wäre ein Segen in einer überfüllten, hungrigen und urbanisierten Welt.
"Da seltene Mutationen von Florigen/Antiflorigen und Gibberellin/DELLA-Mutationen in der Vergangenheit mehrere Revolutionen hervorgebracht haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Schaffung einer neuen Vielfalt in diesen beiden Hormonsystemen weitere landwirtschaftliche Vorteile mit sich bringen wird", schrieben die Wissenschaftler.
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