Ressourceneffizienz und abiotische Stresstoleranz
Ziel unserer Forschung ist es, einen Beitrag zur Entwicklung neuer Sorten zu leisten, die sich besser an stressige Umweltbedingungen anpassen. Wir nähern uns diesem Ziel durch Grundlagenforschung über die physiologischen und genetischen Grundlagen der Stressanpassung. In Zusammenarbeit mit Partnern in den Entwicklungsländern übertragen wir unsere Forschungsergebnisse anschließend auf die Pflanzenzüchtung und andere angewandte Wissenschaften.
Schwerpunkte
Gegenwärtig konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die Arbeit mit Reis, da dies die wichtigste Nahrungspflanze weltweit ist. Er ist auch die Kulturpflanze mit den besten genetischen/genomischen Ressourcen und kann daher als Modellkultur für andere Getreidearten wie Gerste, Weizen oder Sorghum dienen. Gegenwärtig konzentrieren wir uns auf abiotische Stressfaktoren, die die Ernteerträge in vielen Teilen der Welt begrenzen, und untersuchen die genetischen und physiologischen Ursachen für die:
- Toleranz gegenüber Phosphormangel und Eisentoxizität
- Toleranz gegenüber Trockenheit und Salzstress
- Verbesserte Wurzelentwicklung unter Stress
Darüber hinaus arbeiten wir gemeinsam mit Partnern an der Entwicklung von Reis mit verbesserter Nährstoffqualität, speziell mit erhöhter Konzentration des Mikronährstoffs Zink (Zn) im Reiskorn. Ein solcher Zn-biofortifizierter Reis wurde in Madagaskar, wo Zink-Mangelernährung ein nationales Problem darstellt, entwickelt und eine neue Sorte aus unserem Züchtungsprogramm befindet sich in der Sortenzulassung.
Mit dem Umzug an die Universität Bonn haben wir in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Peng Yu (INRES - Root Functional Biology) mit Arbeiten zur Ressourcenaufnahme und Wurzelentwicklung bei Mais begonnen.
Ansatz
Genetische Ressourcen wie alte Landsorten oder nah verwandte Wildtypen sind weltweit in Genbanken gesammelt. Sie stellen ein für die Züchtung nutzbares Reservoir an Genvariationen (Allelen) dar. Unser Ziel ist es, diese natürlich vorhandene natürliche genetische Variation für unsere Stresstoleranzforschung nutzbar zu machen.
Um neue Toleranzallele, die in Genbanken, Assoziationspanels oder QTL-Kartierungspopulationen vorhanden sind zu identifizieren, werden in einem ersten Schritt mit der Stresstoleranz assoziierte Loci kartiert. Folgend werden die Toleranzmechanismen physiologisch untersucht und Kandidatengene identifiziert und charakterisiert. In verschiedenen Stadien werden die Ergebnisse durch Feldversuche bestätigt, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse praktische Relevanz haben. Ein erfolgreiches Projekt würde mit der Entwicklung molekularer Marker und ihrer Anwendung bei der markerunterstützten Introgression von Toleranzallelen in moderne Sorten mit hohem Ertragspotenzial, aber geringer Anpassung an die Zielstressarten abgeschlossen.
Projekte
Toleranz gegenüber Phosphormangel und Eisentoxizität
Die Forschung konzentriert sich auf genotypische Unterschiede in der Toleranz gegenüber P-Mangel und zielt auf Mechanismen/Gene ab, die die interne P-Nutzungseffizienz (PUE) oder die P-Aufnahme aus Böden mit niedrigem P-Gehalt verbessern. Innerhalb der P-Aufnahme unterscheiden wir zwischen der P-Akquisitionseffizienz und Mechanismen die primär das Wurzelwachstum erhöhen. Ein Teil der Forschung wird in Madagaskar durchgeführt und ist dort sehr anwendungsorientiert. Zwei von uns entwickelte P-effiziente Reissorten wurden bereits zugelassen.
Verbesserte Wurzelentwicklung unter Stress
Wurzeleigenschaften sind ein Schlüsselfaktor bei der Aufnahme von Wasser und Nährstoffen. Wir untersuchen, in wie weit genotypische Unterschiede in Nährstoffeffizienz und Trockenstresstoleranz auf Unterschiede in der Wurzelentwicklung beruhen und welche Wurzelmerkmale dabei wichtig sind.
Dies wird experimentell, genetisch, sowie theoretisch durch Simulationen in eigens entwickelten Modellen untersucht.
Toleranz gegenüber Trockenheit und Salzstress
Ein relativ neues Projekt das versucht, Synergismen aus obigen Projekten auszunutzen. Donoren mit verbesserter Wurzelentwicklung bringen diese Merkmale in Züchtungspopulationen ein, die wir unter Wassermangel oder Salzstress im Feld in Madagaskar testen. Dabei konzentrieren wir uns hauptsächlich auf eine schnelle Wurzelentwicklung und die die Eignung von Züchtungslinien für die Direktsaat in Nassreisanbau.
Reis mit erhöhtem Zinkgehalt im Korn
Mangelernährung mit Zink (Zn) ist ein globales Problem. Zinkmangel verringert die Funktion des Immunsystems, beeinträchtigt die normale Kindesentwicklung und erhöht die Säuglingssterblichkeit. Die Entwicklung von Nutzpflanzen mit höheren Zn-Konzentrationen in essbaren Teilen, ein Prozess, der als Zn-Biofortifikation bezeichnet wird, gilt als eine der effizientesten Möglichkeiten, die Zink-Mangelernährung zu lindern, insbesondere für die ländliche Bevölkerung.