News

"leibniz"-Interview mit Kerstin Neumann

Welche Auswirkungen werden zunehmende Hitze- und Trockenperioden auf Nutzpflanzen wie Getreide haben? Und wie schützen sich die Pflanzen schon jetzt? Johanna Manger hat für das Magazin „leibniz“ der Leibniz-Gemeinschaft darüber mit Dr. Kerstin Neumann vom Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) gesprochen.

IPK / Andreas Bähring
Kerstin Neumann

In der Pflanzenkulturhalle erforschen Sie am IPK, wie sich Hitze und Trockenheit auf das Pflanzenwachstum auswirken, Frau Neumann. Was ist das Besondere an dieser Halle?

Unsere Pflanzenkulturhalle ist ein weltweit einzigartiges Gebäude, sie ist zwölf Meter hoch und völlig unabhängig von den Außenbedingungen: Luftfeuchtigkeit, Temperatur und auch das Licht - wir können das alles variabel einstellen. Einzigartig machen die Halle aber vor allem ihre Installationen zur Pflanzenphänotypisierung, mit denen wir die Merkmale der Pflanzen erfassen können.

Was genau können Sie in der Halle untersuchen?

Die Pflanzenkulturhalle ist in der Mitte geteilt: In einer Hälfte befindet sich das sogenannte Rhizotronsystem, mit dem wir das Wachstum der Wurzeln beobachten können. Hier lassen sich die Umweltbedingungen nicht ganz so flexibel einstellen. Im anderen Teil befindet sich ein Containersystem mit 110 mit Erde gefüllten Containern. Hier können wir wirklich feldnahe Bedingungen erzeugen.

Wie genau funktioniert das?

Durch das große Bodenvolumen tritt in diesem Teil der Halle das Wurzelwachstum viel natürlicher auf als in Topfversuchen in Gewächshäusern oder Klimakammern. Der Boden kann zudem gekühlt werden, sodass - ähnlich wie im Feld - ein Temperaturunterschied zur Luft entsteht. Außerdem ist hier Platz für ganze Bestände unterschiedlicher Pflanzenarten, und auch große Pflanzen wie Mais können bis zur Reife wachsen. Die Temperatur lässt sich auf fast Null Grad Celsius senken und auf bis zu 45 Grad hochfahren. Wir können also echten Hitzestress auslösen und sehr schnelle Wechsel simulieren, wie sie auch auf dem Acker immer wieder auftreten.

War das bisher technisch nicht möglich?

Bei Phytokammern, das sind Klimakammern, in denen etwa Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Lichteinstrahlung reguliert werden können, gab es bisher nur ein Setting für tagsüber und ein Setting für nachts. Für unsere Halle haben wir Klimaprogramme entwickelt, die reale Tagesgänge simulieren können. Denn vor allem die Lichtbedingungen verändern sich ja ständig auf freiem Feld, fließend und nicht schematisch.

Woran orientiert sich eine solche Simulation?

An den Wetterdaten der IPK-Wetterstation. Sie liefert minutengenaue Aufzeichnungen über Temperaturbedingungen, Lichteinstrahlung, Lichtintensität oder Feuchte. Aus den Mittelwerten mehrerer Jahre haben wir zunächst ein typisches Jahr nachgebildet, um an durchschnittliche Wachstumsperioden heranzukommen. Das hat nicht so gut funktioniert, weil Wetterextreme ausgelevelt waren, die im Feld aber nun mal eine Rolle spielen. Als wir dann jedoch die Wachstumsbedingungen eines realen Einzeljahrs simuliert haben - in diesem Fall 2016 - war das Wachstum der Maispflanzen in der Halle dem auf dem Feld sehr ähnlich.

Simulieren Sie auch zukünftige Klimaszenarien?

Ja, das ist für uns ein großes Ziel. Die Pflanzenkulturhalle ist dafür ausgelegt, Klimaszenarien - etwa mit gesteigertem CO2-Gehalt und erhöhter Temperatur - zu erforschen, in unseren oder auch in anderen Breiten.

Wie sammeln Sie Daten über das Pflanzenwachstum?

Über den Containern befindet sich ein Kransystem, das mit verschiedenen Kameras automatisch über die Container fährt. Wir haben es „PhenoCrane“ genannt. Die Kameras liefern Informationen über Morphologie, Fotosyntheseleistung, Gesundheitszustand und Biomasse der Pflanzen. Auch im Rhizotronsystem arbeiten wir mit Kameras. In den schmalen hohen Behältern sind die Wurzeln gezwungen, direkt an einer transparenten Scheibe entlangzuwachsen. Um die Entwicklung zu dokumentieren, werden sie in regelmäßigen Abständen automatisch in den Kameraturm gefahren, wo durch die Scheibe das Wurzel- und von oben das Sprosswachstum fotografiert werden.

Was lässt sich aus dieser Phänotypisierung ableiten?

Die Informationen gleichen wir zum Beispiel in einer Assoziationsstudie mit genetischen Daten ab. Wir können so herausfinden, welche Genomregionen mit welchen Merkmalen in Verbindung stehen, wo also beispielsweise Gene liegen, die die Trockentoleranz oder den Ertrag erhöhen. Daraus ergibt sich dann die genetische Architektur.

Welche Pflanzen setzen Sie Hitze- und Trockenstress aus?

Bisher habe ich hauptsächlich ältere Gersten- und Weizenkollektionen aus unserer Genbank untersucht. Ich beschäftige mich aber auch mit Leguminosen wie Kichererbsen oder Bohnen. Momentan testen wir 200 Kichererbsensorten, die wir als pflanzengenetische Ressourcen in unserer Genbank eingelagert haben, auf ihre Trockenstresstoleranz im vegetativen Stadium, der Wachstumsphase.

Greifen Sie auch genetisch ein?

Natürlich kann es sehr hilfreich sein, ein vielversprechendes Kandidatengen, das eine Pflanze zum Beispiel hitzebeständiger macht, mit den neuen genomischen Methoden zu untersuchen. Man kann das Gen in einer Sorte zum Beispiel gezielt ausschalten oder leicht verändern, um später zu schauen, wie sie wächst und welche phänotypischen Auswirkungen die Veränderung zum Beispiel auf die Hitzetoleranz hat. Wenn ein Gen tatsächlich relevant ist, können diese Erkenntnisse zur Verbesserung der Sorte genutzt werden.

Wie schätzen Sie genetische Veränderungen an Pflanzenmaterial ein? Gibt es auch kritische Aspekte?

Man mag von gentechnisch veränderten Lebensmitteln halten, was man will. Aber grüne Gentechnik ist nach wie vor ein sehr gutes Mittel, wenn man es wissenschaftlich nutzen und Genfunktionen aufklären möchte. Genetisch veränderte Linien im Feld zu erforschen, ist in Europa allerdings so gut wie unmöglich und gerade deshalb wäre es natürlich hilfreich, das hier in der Pflanzenkulturhalle zu machen. Wir könnten so eine bessere Idee davon bekommen, wie sich veränderte Linien auf dem Feld verhalten und die Ergebnisse aus der Genforschung auch für herkömmliche Zuchtmethoden verwenden.

Welche Beobachtungen kommen schon jetzt zur Anwendung?

Wir haben Projekte mit Züchtern beantragt, in denen wir moderne Hochleistungssorten kreuzen, die gegenüber Trockenheit und Hitze unterschiedlich tolerant sind. Ihre Nachkommen werden dann sowohl auf dem Feld als auch unter kontrollierten Bedingungen untersucht. Unsere Erkenntnisse über vorteilhafte Linien und Sorten können Züchter schon jetzt nutzen.

Wie wirkt sich ein trockeneres und heißeres Klima auf die Ernte aus?

In unseren Versuchen haben wir gesehen, dass zum Beispiel drei Wochen Trockenheit in der vegetativen Wachstumsphase zu über 30 Prozent Ertragseinbußen führen, obwohl die Pflanzen danach bis zur Reife ohne Trockenstress weiterwuchsen. Die Ertragseinbußen ließen sich nicht mehr rückgängig machen. Auch bei einer zehntägigen Hitzeperiode um die Blüte herum hat sich der Ertrag um 30 Prozent verringert, obwohl die Höchsttemperatur bei „nur“ 30 Grad Celsius lag, also keine extreme Hitze herrschte.

Lassen sich diese Zahlen auf die Bedingungen übertragen, unter denen wir momentan Landwirtschaft betreiben?

Nicht ohne weiteres, denn wir haben uns im Topfversuch ja nur Einzelpflanzen angesehen. Die 30 Prozent Verlust sind auch nur der Durchschnitt, da gibt es bessere und schlechtere Sorten. Zudem erzeugen wir abgesehen vom Trockenstress ja ein optimales Szenario mit guter Nährstoff- und Wasserversorgung ohne Kälte oder Hitze. Das würde man so auf dem Feld nie vorfinden.

Wie schützen sich Pflanzen vor Hitze und Trockenheit?

Als erstes sieht man in unseren Daten, dass sich das Wachstum verlangsamt. Das kommt daher, dass sich die Stomata, das sind Spaltöffnungen in der Pflanzenhaut, schließen. Die Pflanze versucht, Wasser zu sparen und öffnet die Stomata nur noch in den Morgen- oder Abendstunden, um CO2 für die Fotosynthese aufzunehmen. Dadurch reduziert sich allerdings die Fotosynthese-Leistung. Wenn die Pflanze den Wassermangel wahrnimmt, bildet sie Hormone, die dem Spross zunächst signalisieren, das Wachstum zu verlangsamen und dann weitere Schutzmechanismen und Stoffe zu aktivieren. Sie kann zum Beispiel verstärkt ins Wurzelwachstum investieren, um an Wasser in der Tiefe zu gelangen.

Kann sich die Pflanze davon wieder erholen?

Die Fotosynthese-Leistung ist reversibel: Als wir nach circa drei Wochen wieder bewässert haben, erholte sie sich schon nach drei bis fünf Tagen. In dieser Phase versuchen die Pflanzen anscheinend auch aufzuholen, was sie an Wachstum verpasst haben: Die relative Wachstumsrate erhöht sich.

Gibt es besonders resistente Pflanzen?

Es gibt da eine große Bandbreite. Wir haben Sorten entdeckt, die das Wachstum erst spät komplett einstellen und welken. Eine der tolerantesten Sorten, die wir bisher untersucht haben, ist eine alte Gerste-Landrassen aus Syrien, wo häufig Trockenheit herrscht. Im Gegensatz dazu hat eine moderne niederländische Sorte im Experiment viel früher zu wachsen aufgehört.

Können wir von den älteren Sorten lernen?

Es ist in jedem Fall wichtig, die alten Sorten zu erhalten, damit man diese Bandbreite angesichts des Klimawandels zur Not in moderne Sorten zurückholen kann. Durch sogenanntes „Pre-Breeding“, das die pflanzengenetischen Ressourcen oder sogar die wilden Verwandten für die Neuzüchtung von resistenten Sorten nutzt, ist da viel möglich. Es geht darum, Trocken- und Hitzetoleranz oder auch die Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten zurück in moderne Sorten zu bringen, ohne dabei deren Ertragspotenzial zu vermindern.

Konnten Sie auch durch Kreuzungen schon etwas verbessern?

Wir selber züchten ja nicht. Aber wir haben in einem Trockenstressszenario zum Beispiel israelische Weizensorten charakterisiert, in die Partner von uns zuvor Genomabschnitte aus Wildemmer eingekreuzt hatten, das ist eine der ältesten Getreidearten überhaupt. In diesen Abschnitten befinden sich Gene, die die Trockentoleranz des Weizens verbessern. Und tatsächlich konnten wir in unserer Halle beobachten, dass der Kornertrag stieg. Durch das eingekreuzte Genomsegment betrieben die Pflanzen mehr Fotosynthese, konnten den Wasservorrat effizienter nutzen und steigerten die Biomasse.

Gibt es eine bestimmte Wurzelarchitektur, die Pflanzen besonders vor Hitze- und Trockenstress schützt?

Es kommt immer darauf an. In einer Umgebung, in der am Morgen Tau vorhanden ist, haben Flachwurzler, einen Vorteil, denn mit ihren feinen Wurzeln können sie Wasser besonders gut aus den oberen Erdschichten aufnehmen. Wenn aber noch Wasser in der Tiefe vorhanden ist, obwohl es schon lange nicht mehr regnet, dann sind Wurzelsysteme, die mehr in die Tiefe gehen, von Vorteil.

Was sollten wir in Zukunft anbauen?

Die Züchtung war bisher so innovativ und erfolgreich, dass sie mit den Wetterveränderungen mithalten kann. Man könnte sich nun natürlich fragen: Warum bauen wir nicht einfach Weizen oder Gerste aus Süditalien an, der Trocken- und Hitzestress ja schon gewöhnt ist? Doch so einfach ist das nicht. Bei uns würden die Pflanzen sehr früh blühen, weil die Tage bei uns länger sind und sie dadurch mehr Licht abbekommen. So hätten sie zu wenig Zeit, um genügend Biomasse und einen hohen Ertrag aufzubauen. Wir müssen also unsere Sorten anpassen.