Ein internationales Forschungsteam, an dem das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) beteiligt ist, hat bedeutende Fortschritte in der Züchtung von Gerste gemacht, die es ermöglichen, die Pflanze besser für den Doppelanbau zu optimieren. Diese Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht und zeigen, wie zwei Genvarianten zusammenwirken, um die Reifung von Gerste zu beschleunigen, ohne die Erträge zu beeinträchtigen.
In Regionen wie Zentral- und Ostchina wird Gerste im Herbst gesät und im späten Frühjahr geerntet, gefolgt von einer Sommerkultur wie Reis. Der Erfolg dieses Anbausystems hängt stark von der Fähigkeit der Gerste ab, rechtzeitig zu reifen. Eine frühzeitige Ernte ist entscheidend, um den Pflanzen die Möglichkeit zu geben, extremen Wetterbedingungen wie Hitze oder starkem Regen am Ende der Wachstumsperiode zu entkommen.
Das Forschungsteam, geleitet von Ping Yang von der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften, hat sich intensiv mit den genetischen Grundlagen dieser Anpassungsfähigkeit beschäftigt. Dabei wurden historische Daten aus acht Jahrzehnten mit aktuellen Feldversuchen und molekulargenetischen Analysen kombiniert. Die Wissenschaftler analysierten 505 repräsentative chinesische Gerstensorten und 27 eingeführte Vergleichslinien, um die Veränderungen in der genetischen Zusammensetzung seit den 1940er Jahren zu verstehen. Die eingeführten Sorten, insbesondere aus Europa, brachten wertvolle Eigenschaften in Bezug auf Ertrag und Qualität mit, jedoch stellte ihre längere Entwicklungszeit eine Herausforderung für die bestehenden Anbausysteme dar.
Eine der zentralen Entdeckungen des Teams war die Identifizierung einer Genvariante des Gens PHYTOCHROME C (PhyC) in Kombination mit dem Gen VERNALIZATION 1 (VRN1). PhyC spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Blühzeitpunkts, da es einen Lichtrezeptor kodiert. Eine spezifische Veränderung in diesem Protein beschleunigt das Schieben der Ähren und somit die Reifung der Pflanze. Die Analyse ergab, dass diese Genvariante ihren Ursprung in ostasiatischem Gerstenmaterial hat und sich im Laufe der modernen Züchtung verbreitet hat.
Die Forscher stellten jedoch auch fest, dass eine vorzeitige Reifung nicht immer vorteilhaft ist. In Kombination mit einer für Sommergerste typischen Variante des VRN1-Gens kann die frühe Variante von PhyC zu einer geringeren Biomasse und Ertragsverlusten führen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt also in der Kombination mit einer wintergerstentypischen Variante von VRN1, die die Reaktion auf längere Kälteperioden unterstützt. Diese spezielle Genkombination ermöglicht es den Pflanzen, früher zu wachsen, ohne dass dabei die Kornproduktion leidet.
Beide Gene, PhyC und VRN1, befinden sich auf demselben Chromosom und werden somit gemeinsam vererbt. Ihre Häufigkeit in modernen chinesischen Herbstsaat-Sorten hat seit den 1960er Jahren zugenommen. Über 60 Prozent der untersuchten Sorten aus den 1990er Jahren weisen diese vorteilhafte Kombination auf. Martin Mascher vom IPK erklärt, dass die Analyse historischer Sorten zeigt, wie die Züchtung von Gerste an die Anforderungen des Doppelanbaus angepasst wurde.
Um die Auswirkungen dieser genetischen Veränderungen zu bestätigen, nutzte das Team moderne Methoden der Genomeditierung, insbesondere das „Base Editing“. Diese Technik erlaubt es Forschern, gezielt spezifische DNA-Bausteine auszutauschen. Die Ergebnisse zeigten, dass die identifizierte Genvariante tatsächlich die Entwicklung der Pflanzen beschleunigt. Interessanterweise hat eine ähnliche genetische Veränderung bei Reis den gegenteiligen Effekt und führt zu einer späteren Blütezeit, was auf die unterschiedlichen Mechanismen der Tageslängenregulation zwischen diesen Pflanzen hinweist.
Die Studie bietet wertvolle Erkenntnisse darüber, wie Genkombinationen die Anpassung von Nutzpflanzen an intensive Anbausysteme unterstützen können. Sie zeigt auch, dass nicht nur einzelne Gene, sondern deren Interaktionen entscheidend für den Erfolg in der Züchtung sind. Zukünftige Forschungen werden zeigen müssen, ob diese Genkombination auch in anderen Sorten und Anbauregionen von Vorteil ist.
