Durchbruch in der Reiszüchtung für die Ernährung von Milliarden von Menschen
Einem internationalen Team ist es gelungen, eine kommerzielle Hybridreissorte als Klon über Saatgut mit 95 Prozent Effizienz zu vermehren. Dies könnte die Kosten für Hybridreis-Saatgut senken und ertragreiche, krankheitsresistente Reissorten für Landwirte mit geringem Einkommen weltweit verfügbar machen. Die Arbeit wurde am 27. Dezember in Nature Communications veröffentlicht .
Imtiyaz Khanday und Venkatesan Sundaresan, fotografiert mit geklonten Reispflanzen in einem Gewächshaus auf dem Campus der UC Davis. Ihre Arbeit hat zu einem Durchbruch in der Apomixis geführt, der Vermehrung einer hybriden Reissorte durch klonales Saatgut.
Karin Higgins/UC Davis
Hybride Nutzpflanzen der ersten Generation sind oft leistungsfähiger als ihre Eltern, ein Phänomen, das als Hybridvigor bezeichnet wird. Dieses Phänomen bleibt jedoch nicht bestehen, wenn die Hybriden in einer zweiten Generation miteinander gekreuzt werden. Wenn Landwirte also leistungsstarke Hybridsorten verwenden wollen, müssen sie jede Saison neues Saatgut kaufen.
Bei Reis, dem Grundnahrungsmittel für die Hälfte der Weltbevölkerung, ist es relativ kostspielig, eine Hybridsorte zu züchten, um den Ertrag um etwa 10 Prozent zu steigern. Das bedeutet, dass die Vorteile von Reishybriden vielen Landwirten weltweit noch nicht zugute kommen, so Gurdev Khush, emeritierter Professor für Pflanzenwissenschaften an der University of California, Davis. Von 1967 bis zu seiner Pensionierung an der UC Davis im Jahr 2002 war Khush am International Rice Research Institute tätig und leitete die Bemühungen um die Entwicklung neuer ertragreicher Reissorten. Für diese Arbeit erhielt er 1996 den Welternährungspreis.
Eine Lösung für dieses Problem wäre die Vermehrung von Hybriden als Klone, die von Generation zu Generation ohne weitere Züchtung identisch bleiben würden. Viele Wildpflanzen können Samen produzieren, die Klone ihrer selbst sind, ein Prozess, der Apomixis genannt wird.
"Wenn man die Hybride einmal hat und die Apomixis auslösen kann, kann man sie jedes Jahr pflanzen", so Khush.
Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, die Apomixis auf eine wichtige Nutzpflanze zu übertragen.
Ein Schritt zu geklontem Hybridsaatgut
Im Jahr 2019 gelang einem Team unter der Leitung von Professor Venkatesan Sundaresan und Assistenzprofessor Imtiyaz Khanday von den UC Davis Departments of Plant Biology and Plant Sciences die Apomixis bei Reispflanzen, wobei etwa 30 Prozent der Samen geklont wurden.
Sundaresan, Khanday und Kollegen in Frankreich, Deutschland und Ghana haben nun mit einem kommerziellen Hybridreisstamm eine Kloneffizienz von 95 Prozent erreicht und gezeigt, dass der Prozess über mindestens drei Generationen aufrechterhalten werden kann.
Bei dem einstufigen Verfahren werden drei Gene mit der Bezeichnung MiMe verändert, die bewirken, dass die Pflanze von der Meiose, dem Prozess, den Pflanzen zur Bildung von Eizellen nutzen, auf die Mitose umschaltet, bei der sich eine Zelle in zwei Kopien von sich selbst teilt. Eine weitere Genveränderung löst die Apomixis aus. Das Ergebnis ist ein Saatgut, das zu einer Pflanze heranwachsen kann, die genetisch identisch mit ihrer Mutterpflanze ist.
Die Methode würde es den Saatgutunternehmen ermöglichen, Hybridsaatgut schneller und in größerem Maßstab zu produzieren und Saatgut bereitzustellen, das die Landwirte aufbewahren und von Saison zu Saison neu aussäen könnten, so Khush.
"Die Apomixis bei Nutzpflanzen ist seit über 30 Jahren das Ziel weltweiter Forschung, weil sie die Produktion von Hybridsaatgut für jedermann zugänglich machen kann", sagte Sundaresan. "Die daraus resultierende Ertragssteigerung kann dazu beitragen, den Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu decken, ohne dass die Nutzung von Land, Wasser und Düngemitteln auf ein unhaltbares Niveau ansteigen muss."
Die Ergebnisse könnten auch auf andere Nahrungspflanzen übertragen werden, so Sundaresan. Insbesondere Reis ist ein genetisches Modell für andere Getreidearten wie Mais und Weizen, die zusammengenommen wichtige Grundnahrungsmittel für die Welt darstellen.
Khush erinnerte sich, dass er 1994 eine Konferenz über Apomixis in der Reiszüchtung organisiert hatte. Als er 2002 an die UC Davis zurückkehrte, übergab er Sundaresan eine Kopie des Konferenzprotokolls.
"Es war ein langes Projekt", sagte er.
Koautoren des Papiers sind: Aurore Vernet, Donaldo Meynard, Delphine Meulet, Olivier Gibert, Ronan Rivallan, Anne Cecilé Meunier, Julien Frouin, James Tallebois, Daphné Autran, Olivier Leblanc und Emmanuel Guiderdoni, CIRAD und Universität Montpellier, Frankreich; Qichao Lian und Raphael Mercier, Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung, Köln, Deutschland; Matilda Bissah, CSIR Plant Genetics Resources Research Institute, Ghana; und Kyle Shankle, UC Davis. Khush ist kein Autor der neuen Arbeit.
Die Arbeit wurde zum Teil mit Mitteln des Innovative Genomics Institute und des France-Berkeley Fund unterstützt.
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