„Zu viel Trockenheit bedeutet immer Stress“

27.04.2020 Von: Nicole Wahle

Deutschland leidet erneut unter großer Trockenheit. Wie sich die heimischen Kulturpflanzen darauf einstellen und welche Ansätze in der Forschung verfolgt werden, erklärt Dr. Kerstin Neumann, Wissenschaftlerin am IPK in der Forschungsgruppe Genomdiversität der Abteilung Genbank, im Interview mit Christian Schafmeister. Sie beschäftigt sich schon länger mit dem Thema Trockenstress bei Weizen und Gerste.

  • Frau Neumann, seit Mitte März hat es kaum noch geregnet. Wie ernst ist die Lage für die Pflanzen?
Nun, wir steuern in unserer Region auf das dritte Jahr mit großer Trockenheit zu, insofern ist die Lage schon sehr ernst. Wir gehen bereits mit einem großen Niederschlagsdefizit in die Vegetationsperiode. Betroffen davon ist insbesondere der Osten Deutschlands. Ich habe vor einigen Tagen eine Wetterkarte im Fernsehen gesehen, auf der Ostdeutschland tief rot eingefärbt war - und damit als besonders betroffene Region gekennzeichnet war. Damit trifft das ein, was der Weltklimarat IPCC in seinem Bericht bereits 2002 vorhergesagt hat.
  • Der Trockenstress tritt in diesem Jahr schon in einer sehr frühen Phase auf. Was bedeutet das für die Ernte?
Das lässt sich noch nicht sagen. Fakt ist: Sollte es im Mai ausreichend regnen, dann wird das trockene   Frühjahr auf Qualität und Erträge zumindest keinen drastischen Auswirkungen haben. Andererseits hatten wir bereits 2019 eine sehr lange Trockenperiode. Damals habe ich erstmals in Sachsen-Anhalt welken Mais gesehen. Und natürlich baut sich das Problem mit jeder weiteren Trockenperiode weiter auf. Wir bräuchten eigentlich zwei, drei Jahre hintereinander mit ausreichenden Niederschlägen.
  • Wie reagieren die Pflanzen auf diesen Trockenstress?
Das ist ganz unterschiedlich. Häufig setzten die Pflanzen aber auf Strategien, um den Trockenstress zu vermeiden. Die entsprechenden Signale senden häufig die Wurzeln aus. Pflanzen schalten gewissermaßen in einen „Sparmodus“ um und reduzieren ihr Wachstum. Einen kompletten Wachstumsstopp beobachteten wir in Gerstensorten, wenn sie weniger als 20 Prozent der üblichen Wassermenge zur Verfügung haben. Andere bilden längere Wurzeln, um tiefer im Boden doch noch an Grundwasser zu kommen. Manche Getreidesorten kommen so auf Wurzellängen von bis zu zwei Metern. Pflanzen verschließen bei Trockenheit auch die Öffnungen ihrer Blätter. Damit verdunstet auf der einen Seite zwar weniger Wasser, auf der anderen Seite können die Pflanzen so allerdings kein Kohlendioxid mehr aufnehmen, was sie für die Photosynthese und damit das Wachstum und die Kornfüllung jedoch zwingend benötigen. Um die Verdunstung möglichst gering zu halten, verlagern sie das Öffnen der Spaltöffnungen der Blätter in die Morgen- oder Abendstunden. In Gegenden, wo es regelmäßigen Trockenstress im späteren Verlauf der Wachstumsperiode gibt, nutzen Pflanzen eine nochmals andere Strategie. Sie blühen früher und vermeiden so die schlimmste Trockenstressphase. Allerdings fielen unter hiesigen Bedingungen mit solchen Sorten die Erträge dann geringer aus, denn die verlängerte Wachstumsperiode ermöglichte auch höhere Erträge. Damit sind einige der möglichen Strategien umrissen.
  • In welcher Phase sind die Auswirkungen der Trockenheit auf die Pflanzen besonders gravierend?
Zu viel Trockenheit bedeutet für die Pflanze in jeder Phase Stress, es wirken aber jeweils ganz andere Mechanismen mit unterschiedlichen Konsequenzen für die Entwicklung der Pflanzen. Kommt es zu Beginn der Vegetationsperiode zu Trockenstress, bilden sich meistens weniger Halme und damit später weniger Ähren, also auch weniger Kornertrag. In der Blütephase reagiert die Pflanze besonders empfindlich auf Wassermangel. Blüten sterben ab, was zu einer deutlichen Verringerung der Zahl der Körner führt. Fehlt der Pflanze in der Kornfüllungsphase Wasser, bleibt zwar die Zahl der Körner gleich, da sie schon ausgebildet wurden, diese können aber nicht gut gefüllt werden und haben ein geringeres Gewicht und bringen weniger Ertrag. 
  • Auf welchen Aspekt konzentrieren Sie sich bei Ihrer Arbeit am IPK?
Wir untersuchen, vereinfacht gesagt, die Auswirkungen des Trockenstresses bei zwei der wichtigsten Kulturpflanzen in Deutschland - Gerste und Weizen. Für unsere Arbeiten greifen wir auch auf Material aus der Genbank am IPK zurück. Unterschiedliche Pflanzenlinien werden im Experiment kontrolliert bewässert. Mit Hilfe zerstörungsfreier, bildgebender Verfahren schauen wir uns an, wie genau die einzelnen Pflanzenlinien oder Sorten auf unterschiedliche Bewässerungsregime reagieren. Durch die zerstörungsfreien Analysen ist es uns möglich, auch Unterschiede im zeitlichen Ablauf zu erkennen. So lassen sich zum Beispiel Genotypen identifizieren, die besser mit Frühjahrstrockenheit oder später im Sommer liegenden Trockenperioden zurechtkommen. In einem zweiten Schritt schauen wir auf die dahinterliegende Genetik mittels sogenannter molekularer Marker und identifizieren Regionen im Genom, in denen relevante Gene für die Trockentoleranz liegen müssen und welche genauer untersucht werden sollten.
  • Worauf schauen sie genau?
Wir schauen mittels einer automatisierten Anlage, die die Pflanzen täglich bewässert und Bilder von ihnen aufnimmt, auf das Pflanzenwachstum, also die Biomasse und auch die Pflanzenhöhe. Daneben ist auch die Farbe der Pflanze ein guter Stressindikator. Setzt man das Wasser, welches im Laufe des Wachstums verbraucht wurde, in Beziehung zur gebildeten Biomasse, kann man sich die sogenannte Wassernutzungseffizienz ansehen, welche unter dem Aspekt Klimawandel an Bedeutung gewinnt. Dabei geht es konkret um die Frage: Wie viel Biomasse (Korn und andere Pflanzenteile wie Blätter und Halme) bildet eine Pflanze bei einer bestimmten Trockenstressintensität aus und wie gut kann sie sich von einer Trockenstressphase erholen?
  • In der Natur leiden die Pflanzen auf dem Feld aber nicht nur unter Trockenheit, sondern auch Hitze. Welche Rolle spielt das in ihrer Arbeit?
Sind die Pflanzen gleichzeitig Hitze und Trockenheit ausgesetzt, wird es sehr schwer. Doch das wird immer mehr die Realität. Die Zahl der Tage mit Temperaturen von mehr als 30 Grad hat sich zuletzt stark erhöht. Daher richtet sich seit kurzem meine Forschung auch Richtung Hitzestress und der Kombination aus Hitze und Trockenheit aus. Wir haben verschiedene Weizentypen 14 Tage lang Temperaturen von 35 Grad am Tage und 20 Grad in der Nacht ausgesetzt und geschaut, wie die einzelnen Sorten reagieren. Ein solches Szenario kommt zwar derzeit in der Intensität bei uns noch nicht in der Natur vor, wir wollen am IPK jedoch schon heute künftige Bedingungen simulieren, um möglichst frühzeitig Erkenntnisse für solch eine Situation zu gewinnen.    
  • Was kann die Wissenschaft denn generell leisten, um das Problem des Trockenstresses zumindest abzumildern?
Es geht um viele kleine Rädchen, an denen gedreht werden muss. Im Grundsatz geht es aber zuerst darum, die Mechanismen zu verstehen, welche in den Pflanzen ablaufen. Dazu müssen wir untersuchen, welche Gene beispielsweise für die Trockenresistenz verantwortlich sind und welche für Schutzreaktionen vor Hitze. Für dieses bessere Verständnis nutzen wir am IPK natürlich auch Instrumente der Biotechnologie wie die Genschere CRISP/Cas9. Das gezielte Aus- oder Einschalten von Genen oder deren Verstärkung hilft uns die Genfunktionen zu verstehen. Parallel geht es allerdings auch um Nutzbarmachung der Ergebnisse für die Züchtung. Auch in unseren Regionen wird Getreide zukünftig öfter Trocken- und Hitzestress ausgesetzt sein, die Erträge sollen aber möglichst gleichbleiben, weltweit besser noch steigen, um mit der wachsenden Weltbevölkerung mitzuhalten.  
  • An Pflanzen zu forschen, die den Herausforderungen des weltweiten Klimawandels gewachsen sind, ist seit langem einer der Schwerpunkte der Arbeit des IPK. Bringt die aktuelle Entwicklung Ihnen als Wissenschaftlerin da noch einmal mehr Motivation?
Ja, auf jeden Fall motiviert mich das noch einmal zusätzlich, so viel zu forschen wie es geht. Es ist aber auch eine Bestätigung unseres Ansatzes. Vor zehn Jahren war Trockenstress in Deutschland kein großes Thema, das hat sich geändert. Aber es braucht einen langen Atem. In der Forschung spricht man von tief und von hoch hängenden Früchten. Die erste Gruppe kann man schnell und einfach einsammeln. Bei der zweiten Gruppe ist das deutlich schwieriger. Und zu der gehört auch die Forschung zu Trockenstress.     
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