Germany
July 10, 2019

Barley harvest in Halle, Germany - Foto: Nadja Sonntag

Barley, along with wheat and rice, is one of the most important cereals for human nutrition. "The demand for food is increasing worldwide, which is why the cultivation of these cereals must generate reliable crop yields. However, climate change is taking its toll on cultivation conditions worldwide and plants have to be fertilized and irrigated more frequently," says plant scientist Professor Klaus Pillen from MLU. His research team is studying how to improve common cereal varieties for years. Their approach is to cross certain industrially used barley varieties with wild barley. "Wild barley has adapted to adverse environmental conditions over millions of years. It still has a rich biodiversity today," explains Pillen. The idea is to combine the advantageous properties of both cereals.

For the study, the research team crossed a typical barley variety with 25 types of wild barley. This resulted in 48 genetically different plant lines, which the research team planted at five very different locations around the world: Dundee (UK), Halle (Germany), Al Karak (Jordan), Dubai (United Arab Emirates) and Adelaide (Australia). Each of these places has its own environmental conditions: Australia and Dubai suffer from very salty, dry soils, Al Karak and Dubai from heat and drought. In Germany and UK, fields always receive additional nitrogen fertilizer in order to increase crop yields. During the cultivation period, the scientists observed the growth of the plants under environmental stress and compared the results to native varieties from a control group. "We then selected plants from our cultivation that grew particularly well on site and examined their genetic material more closely," continues Pillen. The researchers wanted to draw conclusions about the interaction between genes, the environment and crop yields. 

"Our study also shows that the timing of plant development is extremely important. This ensures maximum crop yields even under unfavourable environmental conditions," says Pillen. By this he means, for example, the length of daylight, which varies according to latitude: the closer a place is to the equator, the shorter the duration of daily sunshine during spring and summer. This has a big impact on the development of the plants. "In northern Europe, it is more advantageous for plants to flower later. The closer you get to the equator, it’s better for plants to develop much faster," explains Pillen. Based on genetic analyses of the plants, the team was also able to draw conclusions about the gene variants that cause this acceleration or delay in development. 

Knowing which gene variants are advantageous for which geographical regions allows plants that are particularly well adapted to the local conditions to be crossed, bred and cultivated according to the modular principle. And this is all well worth the effort: even under adverse conditions, Halle’s best barley produced up to 20 percent higher yields than native plants.

In follow-up projects, the research team would like to further investigate the genetic material in order to gain more detailed insights into the stress tolerance of plants. The findings from the new study can, in principle, also be applied to other cereal varieties, such as wheat and rice.

About the study: Wiegmann M. et al. Barley yield formation under abiotic stress depends on the interplay between flowering time genes and environmental cues. Scientific Reports (2019). doi: 10.1038/s41598-019-42673-1

Hitze, Salz, Dürre: Diese Gerste trotzt dem Klimawandel

Forschen für Ernährungssicherheit: Eine neue Gerstenlinie sorgt selbst bei schlechten Umweltbedingungen für gute Ernteerträge. Gezüchtet wurde sie von einem Forschungsteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), das dafür eine gängige Sorte mit verschiedenen Wildgersten kreuzte. Anschließend haben die Forschenden die neuen Linien an fünf sehr unterschiedlichen Standorten auf der Welt angebaut, das Wachstum der Pflanzen beobachtet und ihr Erbgut Pflanzen analysiert. Wie das Team in der Fachzeitschrift "Scientific Reports" berichtet, sind einige Pflanzen nicht nur hitze- und dürrebeständiger, sie liefern in vielen Fällen auch höhere Ernteerträge als die lokalen Vergleichssorten.

Gerste gehört neben Weizen und Reis zu den wichtigsten Getreiden für die Ernährung des Menschen. "Weltweit steigt der Bedarf nach Nahrungsmitteln, weshalb der Anbau dieser Getreidepflanzen verlässliche Ernteerträge generieren muss. Durch den Klimawandel verschlechtern sich aber die Bedingungen für den Anbau weltweit und die Pflanzen müssen immer häufiger gedüngt und bewässert werden", sagt der Pflanzenwissenschaftler Prof. Dr. Klaus Pillen von der MLU. Seine Arbeitsgruppe forscht deshalb seit Jahren daran, wie sich gängige Getreidesorten verbessern lassen. Ihr Ansatz ist dabei, bestimmte industriell genutzte Gerstensorten mit wilden Gersten zu kreuzen. "Wildgersten haben sich praktisch über Millionen Jahre an widrige Umweltbedingungen angepasst. Sie verfügen noch heute über eine reichhaltige Biodiversität", erklärt Pillen. Im Idealfall, so die Idee, lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften beider Getreidearten miteinander kombinieren.

Für die Studie hat das Forschungsteam eine typische Gerstensorte mit 25 Wildgersten gekreuzt. Dabei entstanden unter anderem 48 genetisch voneinander verschiedene Pflanzenlinien, die das Forschungsteam dann jeweils an fünf sehr unterschiedlichen Standorten auf der Welt anbaute: Dundee (Großbritannien), Halle (Deutschland), Al Karak (Jordanien), Dubai (Vereinigte Arabische Emirate) und Adelaide (Australien). Jeder dieser Orte hat seine eigenen Rahmenbedingungen: Australien und Dubai leiden unter sehr stark versalzenen, trockenen Böden, Al Karak und Dubai unter Hitze und Dürre. In Deutschland werden die Äcker immer zusätzlich mit Stickstoff gedüngt, um die Ernteerträge zu erhöhen. Während der Anbauzeit beobachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Wachstum der Pflanzen unter umweltbedingtem Stress und verglichen die Ergebnisse mit heimischen Sorten aus einer Kontrollgruppe. "Wir haben dann jeweils die Pflanzen aus unserer Zucht ausgewählt, die vor Ort besonders gut wuchsen und ihr Erbgut genauer untersucht", so Pillen weiter. Damit wollten die Forschenden Rückschlüsse auf das Zusammenspiel von Genen, Umwelt und Ernteerträgen ziehen.

"Unsere Studie zeigt außerdem, dass ein gutes Timing bei der Entwicklung der Pflanzen extrem wichtig ist. So lassen sich maximale Ernteerträge auch bei ungünstigen Umweltbedingungen sicherstellen", fasst Pillen zusammen. Damit meint er zum Beispiel die Tagesdauer, die je nach Breitengrad unterschiedlich ist: Je näher ein Ort am Äquator liegt, desto kürzer ist die tägliche Sonnenscheindauer. Und das hat einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Pflanzen. "In Nordeuropa ist es für Pflanzen vorteilhaft, wenn sie eine späte Blüte haben. Je näher man an den Äquator kommt, desto besser ist es, wenn sich die Pflanzen deutlich schneller entwickeln", sagt Pillen. Anhand von genetischen Analysen der Pflanzen konnte das Team auch Rückschlüsse auf die Genvarianten ziehen, die dafür verantwortlich sind.

Aus dem Wissen darüber, welche Genvarianten für welche geographische Region vorteilhaft sind, lassen sich nach dem Baukastenprinzip Pflanzen kreuzen und züchten, die besonders gut an die lokalen Bedingungen vor Ort angepasst sind. Und das lohnt sich: Selbst unter den widrigen Bedingungen lieferten die besten halleschen Gersten bis zu 20 Prozent höhere Erträge als heimische Pflanzen.

In Folgeprojekten möchte das Forscherteam das Genmaterial noch weiter untersuchen, um detailliertere Erkenntnisse über die Stresstoleranz von Pflanzen zu gewinnen. Die Erkenntnisse aus der neuen Studie lassen sich zudem im Prinzip auch auf andere Getreidesorten, wie Weizen und Reis, übertragen.

Originalpublikation:

Wiegmann M. et al. Barley yield formation under abiotic stress depends on the interplay between flowering time genes and environmental cues. Scientific Reports (2019). doi: 10.1038/s41598-019-42673-1

Website: https://www.uni-halle.de/

Published: July 10, 2019