Jahrhundertelanges Experiment sichert die Zukunft von Bier und Whiskey
Genetische Erkenntnisse könnten Getreide helfen, den Klimawandel zu überstehen
Dank eines Experiments, das noch vor der Weltwirtschaftskrise begonnen wurde, haben Forscher die Gene für die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit der Gerste, einer wichtigen Zutat für Bier und Whiskey, ausfindig gemacht. Diese Erkenntnisse könnten das weitere Überleben der Kulturpflanze inmitten des raschen Klimawandels sichern.
Gerste wird überall angebaut, von Asien und Ägypten über Norwegen bis hin zu den südamerikanischen Anden, und ist seit mindestens 12 000 Jahren eine der wichtigsten Getreidearten der Welt. Bei ihrer Verbreitung über den gesamten Globus haben zufällige Veränderungen in ihrer DNA ihr das Überleben an jedem neuen Standort ermöglicht.
Es ist von entscheidender Bedeutung, die Gene zu identifizieren, die sich verändert haben, um vorherzusagen, welche Sorten an Orten gedeihen werden, die jetzt mit immer heißeren Temperaturen, längeren Dürreperioden und dramatischeren Stürmen zu kämpfen haben.
"Die Züchter haben schon lange verstanden, dass es notwendig ist, Pflanzen zu entwickeln, die gut auf ihre lokale Umgebung abgestimmt sind. Deshalb starteten sie vor einem Jahrhundert dieses Experiment in Davis, Kalifornien, mit Gerstensorten aus der ganzen Welt, um lokal angepasste Sorten zu finden", so Dan Koenig, Genetiker an der UC Riverside.
"Die Wissenschaftler, die das Experiment begannen, konnten nicht genau bestimmen, welche Gene die Gerste in einer bestimmten Umgebung erfolgreich und ertragreich machen, aber wir können jetzt in meinem Labor in einem einzigen Experiment Dutzende von Millionen von genetischen Veränderungen untersuchen", so Koenig.
Dutzende von Genen, die zur Anpassungsfähigkeit der Gerste beitragen, werden in einer neuen Studie beschrieben, die in der Zeitschrift Science erscheint. Koenig, der korrespondierender Autor der Studie ist, erklärte, dass einige der identifizierten Gene dazu beitragen, dass die Gerste ihre Fortpflanzungsprozesse auf die optimalsten Zeiten der Brutzeit abstimmt.
"Eine zu frühe oder zu späte Blüte bedeutet, dass die Pflanze nicht in der Lage ist, Samen zu produzieren", so Koenig. "Damit die Pflanzen die maximale Menge an Samen produzieren können, müssen sie in einem sehr engen Zeitfenster blühen.
In Kalifornien müssen die Pflanzen ihre Blütezeit beenden, bevor die lange Trockenzeit beginnt, da sonst nicht genug Wasser für die Samenbildung vorhanden ist. Wenn die Pflanzen aber zu früh blühen, könnten sie dem Frost ausgesetzt sein. Die Forscher fanden heraus, wie die Genetik die Blüte genau im richtigen Zeitfenster ermöglicht, wobei mehrere Gene die frühe Blüte fördern und andere die späte Blüte verringern.
Die Identifizierung dieser Gene war kein einfacher Prozess. "Eine der Herausforderungen beim Verständnis genetischer Anpassungen besteht darin, dass es Jahrzehnte dauern kann, sie zu erkennen, da man nur eine Generation Gerste pro Jahr anbauen kann", so Koenig.
Glücklicherweise haben Koenig und seine Kollegen Zugang zum Experiment Barley Composite Cross II, das 1929 in Davis, Kalifornien, gegründet wurde und zu den ältesten biologischen Experimenten der Welt gehört. Es wurde initiiert, um neue Gerstensorten für den kalifornischen Markt zu entdecken. Jahrzehntelang ließen Züchter in Davis Tausende von genetisch unterschiedlichen Gerstensorten gegeneinander antreten. Die Gerste, die in dem heißen, trockenen kalifornischen Klima am besten gedieh, setzte sich gegen ihre Nachbarn durch und wurde mit der Zeit immer häufiger angebaut.
Koenigs Gruppe erkannte, dass das Saatgut aus diesem Experiment als Zeitmaschine genutzt werden könnte, um den Anpassungsprozess direkt zu beobachten und Gene zu identifizieren, die das Überleben ermöglichen.
Während dieser 58 Vegetationsperioden entwickelte sich das Feld von 15.000 genetisch unterschiedlichen Einzelpflanzen zu einer einzigen Pflanzenlinie, die 60 % der Population dominierte - und das ganz ohne menschliche Selektion.
"Wir waren schockiert über das Ausmaß der Veränderungen, die in einer kurzen evolutionären Zeit stattgefunden haben", so Koenig. "Die natürliche Selektion hat die genetische Vielfalt im gesamten Genom in nur einem Menschenleben völlig umgestaltet."
Das Forschungsteam plant weitere Studien zur Untersuchung langfristiger experimenteller Daten aus verschiedenen Klimazonen, um zu verstehen, wie der Zeitpunkt der Blüte unterschiedlich abgestimmt werden kann.
Außerdem möchte das Team ein besseres Verständnis für eine merkwürdige Beobachtung gewinnen. Während des Davis-Experiments enthielt die Pflanzenpopulation Sorten aus vielen Ländern. Als sie sich an Nordkalifornien anpassten, steigerten die Pflanzen ihren Ertrag auf natürliche Weise um fast das Doppelte. Diese Steigerung ist jedoch immer noch geringer als das, was Züchter mit einer manuellen Selektionsstrategie erreichen.
"Der Ertrag kann mit anderen Eigenschaften konkurrieren, wie z. B. schnelles oder hohes Wachstum", so Koenig. "Die Züchter wollen Pflanzen, die freundliche Nachbarn sind, aber diese Freundlichkeit könnte die Anpassung an die Umwelt einschränken.
Da Gerste genetisch ähnlich wie Weizen, Reis und Mais ist, könnten Erkenntnisse darüber, wie sie in so unterschiedlichen Umgebungen überlebt, genutzt werden, um diese anderen Getreidearten bei der Anpassung an Klimaextreme zu unterstützen.
Mit Hilfe moderner Technologien wie Genomtechnik und CRISPR könnten die Forscher versuchen, andere Pflanzen zu entwickeln, die zu bestimmten, günstigeren Zeiten blühen.
"Die Anpassungsfähigkeit der Gerste war ein Grundstein für die Entwicklung der Zivilisation. Sie zu verstehen ist nicht nur wichtig, um weiterhin alkoholische Getränke herzustellen, sondern auch für unsere Fähigkeit, die Nutzpflanzen der Zukunft zu entwickeln und ihre Anpassungsfähigkeit an die Veränderungen der Welt zu verbessern", so Koenig.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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