Züchtung unkrautunterdrückender Getreide-Sorten als Alternative zu Glyphosat?

Foto links: ein Gersten-Feld in der Nähe von Witzenhausen.

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Wie sehen unsere modernen Kultur-Pflanzen heute eigentlich aus? Und vor allem: warum sehen sie so aus wie sie aussehen? Wenn man heute vor einem Weizenfeld steht, sieht man ziemlich niedrige Pflanzen und verhältnismäßig große Ähren. Früher sahen die meisten Weizensorten allerdings anders aus. Sie waren vor allem wesentlich länger und hatten einen größeren Stroh-Anteil. Mit der Grünen Revolution kamen dann die sogenannten „Hochertrags-Sorten“, die sehr kurze Halme haben und im Verhältnis dazu sehr große und meist unbegrannte Ähren. Diese kurzstrohigen Sorten wurden durch die Einkreuzung sogenannter Zwerggene bzw. genauer Zwerg-Allele (Rht-B1b und Rht-D1b) erzeugt. Dadurch reagiert der Weizen nicht mehr bzw. nur noch reduziert auf das pflanzeneigene Wachstumshormon Gibberelin und zeigt ein reduziertes Längenwachstum.

Vorteil dieser Zwergsorten ist einerseits, dass die meisten Ressourcen während des Wachstums in die Ähre gehen und nicht in die Halme. Dadurch erhöht sich der Ernteindex also der Teil der Biomasse, der in Form von Körnern verwertet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass kurze Weizensorten im Gegensatz zu langen Weizensorten bei hohen Düngegaben nicht umkippen („ins Lager gehen“ wie man in der Landwirtschaft sagt). Diese Sorten sind auf maximal Erträge hin züchterisch optimiert und sind das Resultat eines enormen Züchtungsfortschrittes.

Die Zwergweizen haben aber auch Nachteile, wie z.B. eine reduzierte Fähigkeit zur Unkrautunterdrückung. Der niedrige Weizen kann von Unkräutern sehr schnell überwachsen werden. Wichtige Pflanzenfunktionen, die eigentlich die Pflanze durch ihre eigene Architektur selbst erbringt – wie Konkurrenzfähigkeit gegen Unkräuter – wurden ausgelagert auf externe Betriebsmittel wie Herbizide, z.B. das mittlerweile berühmt-berüchtigte Glyphosat.

Diese spezielle, zwergenhafte Pflanzenarchitektur spiegelt dabei gewissermaßen die Ausrichtung des gesamten Agrarsystems also eines primär ertragsorientierten Systems, welches auf einen hohen Einsatz externer Betriebsmittel angewiesen ist (z.B. Dünger und Herbizide).

Dieses Agrarsystem aber bedingt zunehmend erhebliche Probleme, die immer schwerer von der Hand zu weisen sind. Es vernichtet die wilden blühenden Kräuter, die die Nahrungsgrundlage für viele Insekten und Bestäuber bilden. Ein anderes Problem sind die hohen Nitratwerte in Gewässern, die durch hohe Düngegaben bedingt sind. Außerdem verursacht ein einseitiger Herbizideinsatz die evolutive Entwicklung resistenter Unkräuter.

Andere Pflanzen: Reintegration ökologischer Funktionen in die Pflanzenarchitektur

Wie wäre es aber, wenn wir auch Getreide züchten könnten, das weniger auf Herbizide angewiesen ist und sich selbst stärker gegen Unkräuter durchsetzen kann? Genau in diese Richtung gehen zur Zeit australische Züchtungsforscher (Zhang et al. 2014, hier ein link zu einer kurzen Darstellung auf Englisch). Diese haben einen großen Pool an genetischen Weizenherkünften evaluiert, vielversprechende Linien gekreuzt, dann selektiert wieder gekreuzt usw. Insgesamt sechs Zyklen dieser sogenannten rekurrenten Selektion wurden durchgeführt. Selektiert wurde auf eine möglichst große Blattbreite, welche ein Indikator für die Blattfläche ist. Eine größere Blattfläche führt zu einer stärkeren Beschattung der Unkräuter, was den Weizen wiederum konkurrenzstärker gegen Unkräuter macht. Blattbreite und Blattfläche sind quantitative Eigenschaften an denen sich viele Gene beteiligen. Durch die rekurrente Selektion wurden viele verschiedene Allele angereichert, die zu einer großen Blattbreite bzw. Blattfläche beitragen. Das Ergebnis dieser Selektion sind Weizenpflanzen, die eine doppelt so große Blattbreite haben wie die Pflanzen mit den breitesten Blättern der Ausgangspflanzen. Der nächste Schritt sind Ertrags und Resistenzprüfungen sowie evtl. die Kreuzung mit etablierten Sorten, um die Konkurrenzfähigkeit mit hohem Ertrag und Backqualität zu kombinieren. Diesen Teil werden wahrscheinlich private Züchter übernehmen.

Hier ein kurzes Video zu konkurrenzstarken Weizensorten des australischen Agrarwissenschaftlers Greg Rebetzke:

Interessanterweise ist dies ein Ansatz, der sich primär auf die Morphologie der Pflanzen konzentriert oder etwas anders ausgedrückt auf die genetisch verankerte Architektur der Pflanzen. Das ist also ein sehr klassischer Ansatz der Pflanzenzüchtung, der ohne molekulargenetische markergestützte Selektion oder auch Gentechnik (wie CRISPR) auskommt. Möglich ist dies dadurch, dass man gewisserweise einen morphologischen Marker für Konkurrenzstärke entwickelt hat – die Blattbreite – die sich leicht selektieren lässt und eine starke genetische Grundlage hat (eine hohe Heritabilität), die relativ wenig von Umweltbedingungen beeinflusst wird.

Es wird sicher spannend sein, wie sich dieses Projekt in Zukunft weiterentwickelt. Allerdings kann man auch diesen Ansatz kritisch hinterfragen. Wollen wir überhaupt ein maximal unterdrückendes Getreide? Dies unterdrückt möglicherweise auch die für die Bestäuber so wichtigen Ackerunkräuter. Stark unkrautunterdrückende Weizensorten üben außerdem auf die Unkräuter einen starken Selektionsdruck aus, was wiederum zu einer evolutiven Entwicklung von extrem konkurrenzfähigen Unkräutern führen könnte.

Literatur

Zhang, L., Richards, R. A., Condon, A. G., Liu, D. C., & Rebetzke, G. J. (2014). Recurrent selection for wider seedling leaves increases early biomass and leaf area in wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Experimental Botany, 66(5), 1215-1226.