Germany
June 20, 2023
A tiny mutation in the genetic material of barley ensures that those plants develop faster and thus flower earlier than established barley varieties. At the same time, plant yields remain the same, a team from Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) reports in the "Journal of Experimental Botany". According to the researchers, this is advantageous as the plants could potentially adapt better to the effects of climate change and continue to produce stable harvests.
On the right, plants with the special gene variant are growing - ears of barley are already visible. On the left, plants at a slower pace and their ears are not visible yet. - Foto: Uni Halle / Tanja Zahn
Plants have adapted their development to their surroundings over the course of several million years. However, global warming is happening at a much faster rate, so plants have little time to adapt to the new conditions. "The genetic diversity of current barley varieties is limited, which means they can only moderately adapt to changing environmental conditions in the course of climate change," explains the leader of the study, Dr Andreas Maurer from the Institute of Agricultural and Food Sciences at MLU. This prompted the researchers to look for ways to better adapt crops to these new conditions in the future.
They found what they were looking for in the EARLY FLOWERING3 (ELF3) gene, which was already known to play an important role in plant development. ELF3 is an essential component of a plant’s so-called circadian clock. This is a whole network of genes and proteins that control various processes in plants so they can, for example, react to the day-night rhythm and the seasons.
As part of extensive field trials and greenhouse experiments, the team investigated different natural variants of the ELF3 gene in almost genetically identical plants by crossing an established barley variety (Barke) with various wild barleys. The researchers discovered a variant with special properties. Even though its genetic code differed only at a single point compared to the established ELF3 variant, the plants developed significantly faster. Compared to plants carrying the established ELF3 variant, these plants flowered up to 18 days earlier in the greenhouse trial and up to four days earlier in field experiments. Depending on the weather, even those four days can greatly impact yields, as the plant can complete important stages of its development before possible harmful events happen. "Crossing with natural variants of wild barley is often accompanied by yield losses. Remarkably, this wasn’t the case in our study," adds Maurer. The barley with the special natural ELF3 variant produced comparable yields.
The findings of the study could help to create new, climate-resilient barley. "By crossing with the natural variant, we found that barley could flower before a dry period sets in and thus deliver a higher yield than later-flowering varieties. Such adaptations are necessary in order to secure the world’s food supply in the face of global warming," says agricultural and food scientist Tanja Zahn, who is pursuing her PhD at MLU.
The study was funded by the European Social Fund and the European Regional Development Fund as well as by the Federal Ministry of Education and Research and the German Research Foundation.
Study: Zahn T. et al. Novel exotic alleles of EARLY FLOWERING 3 determine plant development in barley. Journal of Experimental Botany (2023). doi: 10.1093/jxb/erad127
Anpassung an den Klimawandel: Forschende finden natürliche Genvariante, die Gerste früher blühen lässt
Eine winzige Mutation im Erbgut von Gerste sorgt dafür, dass sich die Pflanze schneller entwickelt und damit eher blüht als eine etablierte Gerstensorte. Gleichzeitig bleibt der Ertrag dieser Pflanzen gleich, wie ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) im "Journal of Experimental Botany" berichtet. Das ist den Forschenden zufolge von Vorteil, weil die Pflanzen so womöglich besser an die Folgen des Klimawandels angepasst sind und weiter stabile Ernten liefern könnten.
Pflanzen haben ihre Entwicklung im Laufe von mehreren Millionen Jahren an die jeweilige Umgebung angepasst. Die globale Erwärmung läuft jedoch deutlich schneller ab und so haben Pflanzen nur wenig Möglichkeiten, sich auf die neuen Bedingungen einzustellen. "Die genetische Vielfalt aktueller Gerstensorten ist begrenzt, sodass nur eine bedingte Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Umweltbedingungen im Zuge des Klimawandels vorhanden ist", sagt der Studienleiter Dr. Andreas Maurer vom Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der MLU. Die Forschenden suchten deshalb nach Möglichkeiten, Kulturpflanzen künftig besser an diese neuen Bedingungen anzupassen.
Fündig wurden sie bei dem Gen EARLY FLOWERING3 (ELF3), von dem bereits bekannt war, dass es eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Pflanzen spielt: ELF3 ist ein essenzieller Bestandteil der sogenannten zirkadianen Uhr von Pflanzen. Dabei handelt es sich um ein ganzes Netzwerk aus Genen und Proteinen, die in Pflanzen verschiedene Prozesse steuern, um beispielsweise auf den Tag-Nacht-Rhythmus und die Jahreszeiten reagieren zu können.
Im Rahmen umfangreicher Feldversuche und Gewächshausexperimente untersuchte das Team verschiedene natürlich vorkommende Varianten des ELF3-Gens bei sonst genetisch nahezu identischen Pflanzen, die aus der Kreuzung von einer etablierten Gerstensorte (Barke) mit verschiedenen Wildgersten entstanden sind. Hierbei entdeckten die Forschenden eine Variante mit besonderen Eigenschaften: Obwohl sich ihr genetischer Bauplan nur an einer einzigen Stelle von der etablierten ELF3-Variante unterschied, entwickelten sich die jeweiligen Pflanzen deutlich schneller. Im Vergleich zu Pflanzen mit der etablierten ELF3-Variante blühten diese Pflanzen im Gewächshausversuch bis zu 18 Tage und im Feld bis zu vier Tage früher. Je nach Witterung können diese vier Tage für den Ertrag von großer Bedeutung sein, da die Pflanze so wichtige Stadien vor möglichen Schadereignissen abschließen kann. "Häufig geht das Einkreuzen von natürlichen Variationen der Wildgerste mit einem Ertragsverlust einher. Bemerkenswerterweise konnten wir dies in unserer Studie nicht feststellen", so Maurer weiter. Die Erträge der Gersten mit der besonderen natürlichen ELF3-Variante blieben also gleich.
Die Erkenntnisse der Studie könnten dabei helfen, neue klimaresiliente Gersten zu erzeugen. "Durch Einkreuzung der von uns gefundenen natürlichen Variante könnte Gerste vor einer Trockenperiode blühen und so einen höheren Ertrag liefern als später blühende Sorten. Solche Anpassungen sind notwendig, um die Welternährung trotz globaler Erwärmung zu gewährleisten", sagt die Agrar- und Ernährungswissenschaftlerin Tanja Zahn, die an der MLU promoviert wird.
Die Studie wurde mit Mitteln des Europäischen Sozialfonds und des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
Originalpublikation:
Studie: Zahn T. et al. Novel exotic alleles of EARLY FLOWERING 3 determine plant development in barley. Journal of Experimental Botany (2023). doi: 10.1093/jxb/erad127
https://academic.oup.com/jxb/advance-article/doi/10.1093/jxb/erad127/7100059
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