Bayreuth, Germany
June 9, 2020
Field experiment with barley. Photo: Johanna Pausch
As a result of climate change, cereal crops will undoubtedly be exposed to longer and more frequent periods of drought. How well they survive this depends on their interaction with water, nutrients, bacteria, and fungi in the soil. The new research network "RhizoTraits", coordinated by the University of Bayreuth, is now seeking to get to the bottom of the varying resilience of cereal varieties. The results are to be incorporated into bio-economic concepts for strengthening food security. The German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) is funding the project initially for four years to the tune of 1,9 million Euro, one million of which will go to the University of Bayreuth.
View of the experimental facility “Moving Fields"; of the Bavarian State Institute for Agriculture (LfL). Photo: LfL, Wouter Vahl.
Cooperation partners in the new research network are the Technical University of Munich, the Karlsruhe Institute of Technology and the Bavarian State Institute for Agriculture. The name "RhizoTraits" derives from the rhizosphere, the soil zone in which plant roots search for nutrients and water, and where they interact with a wide variety of microorganisms. "These underground processes are the key to the adaptability and resistance of cereal plants to climate change. That is why we need to know more about which specific properties of the rhizosphere benefit or harm plants in times of drought. The differences between various cereal varieties must also be taken into account. This is the only way to make our agricultural ecosystems more robust in the long term," explains junior professor Dr. Johanna Pausch, coordinator of the research association. She heads the agroecology working group at the University of Bayreuth and is a member of the Bayreuth Centre of Ecology & Environmental Research (BayCEER).
Release of mucilage around the brace root of maize. By exuding mucilage plant roots change the rhizosphere properties positively affecting the uptake of water and nutrients from soil. Photo: Andrea Carminati.
Food security in times of climate change
The more precisely and comprehensively the interactions within the rhizosphere are understood, the more reliably the consequences of climate change for agriculture can be predicted. But the research partners of "RhizoTrait" are not just concerned with forecasts. More important are agricultural and food policy measures that anticipate these foreseeable consequences of climate change. "Based on our joint research results, we hope to propose innovative concepts aimed at ensuring agricultural yields keep pace with the needs of a growing world population despite changing climatic conditions. We see these recommendations for action as a contribution to a bio-economy in which sustainability and food security are closely linked," says Pausch.
Prof. Dr. Johanna Pausch
Old crops: a valuable source of information
One special feature of the planned research work is that old crops, hardly relevant for agriculture today, are included in its investigations. Most of the cereal varieties cultivated today have been bred in the last 50 years. The focus has been on increasing yields, while sufficient supplies of water and nutrients have been taken for granted. The question of whether these plants can adapt to climate-related shortages of water and nutrients has therefore been largely ignored.
In the course of this development, however, certain genes that are important for the resilience of cereal plants may have been lost. They enable plants to influence soil conditions to their own advantage. For example, the roots can secrete substances that promote the establishment of colonies of fungi and bacteria in the immediate vicinity. Symbioses with fungi that supply nutrients or symbioses with bacteria that can bind nitrogen from the air make plants less susceptible to the consequences of drought or other extreme events. Old crop varieties can show whether the genetic basis for such self-protection has been changed by purely yield-oriented breeding. In addition, they may contain further indications as to which rhizosphere characteristics can enhance the stress tolerance of plants.
Getreidepflanzen im Klimastress: Neuer Forschungsverbund untersucht Voraussetzungen für mehr Ernährungssicherheit
Infolge des Klimawandels werden Getreidepflanzen längeren und häufigeren Dürrezeiten ausgesetzt sein. Wie gut sie diesen Stress überstehen, hängt von ihren Wechselwirkungen mit Wasser, Nährstoffen, Bakterien und Pilzen im Boden ab. Der neue, von der Universität Bayreuth koordinierte Forschungsverbund „RhizoTraits“ will der unterschiedlich ausgeprägten Widerstandsfähigkeit von Getreidesorten nun genauer auf den Grund gehen. Die Ergebnisse sollen in bioökonomische Konzepte zur Stärkung der Ernährungssicherheit einfließen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben für zunächst vier Jahre mit 1,9 Mio. Euro, davon entfallen eine Mio. Euro auf die Universität Bayreuth.
Kooperationspartner im neuen Forschungsverbund sind die Technische Universität München, das Karlsruher Institut für Technologie und die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft. Der Name „RhizoTraits“ leitet sich her von der Rhizosphäre: In diesem Bereich des Erdbodens suchen die Pflanzenwurzeln nach Nährstoffen und Wasserreserven, hier stehen sie mit verschiedensten Mikroorganismen im Austausch. „Diese unterirdischen Vorgänge sind der Schlüssel für die Anpassungs- und Widerstandsfähigkeit von Getreidepflanzen im Klimawandel. Deshalb müssen wir mehr darüber wissen, welche speziellen Eigenschaften der Rhizosphäre den Pflanzen in Dürrezeiten nützen oder ihnen schaden. Auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Getreidesorten sind dabei zu berücksichtigen. Nur so wird es gelingen, unsere landwirtschaftlichen Ökosysteme auf Dauer robuster zu machen“, erklärt Junior-Professorin Dr. Johanna Pausch, die Koordinatorin des Forschungsverbunds. Sie leitet die Arbeitsgruppe Agrarökologie an der Universität Bayreuth und ist Mitglied des Bayreuther Zentrums für Ökologie und Umweltforschung (BayCEER).
Ernährungssicherheit in Zeiten des Klimawandels
Je genauer und umfassender die Wechselwirkungen in der Rhizosphäre aufgeklärt sind, desto zuverlässiger lassen sich Folgen des Klimawandels für die Landwirtschaft vorhersagen. Aber es geht den Forschungspartnern von „RhizoTrait“ nicht allein um Prognosen. Wichtiger sind landwirtschaftliche und ernährungspolitische Maßnahmen, die diesen absehbaren Folgen des Klimawandels zuvorkommen. „Auf der Grundlage der gemeinsamen Forschungsergebnisse wollen wir innovative Konzepte vorschlagen, die darauf abzielen, dass landwirtschaftliche Erträge trotz veränderter klimatischer Bedingungen mit dem Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung Schritt halten können. Diese Handlungsempfehlungen verstehen wir als Beitrag zu einer Bioökonomie, in der Nachhaltigkeit und Ernährungssicherheit eng verknüpft sind“, sagt Pausch.
Alte Nutzpflanzen: eine wertvolle Informationsquelle
Eine Besonderheit der geplanten Forschungsarbeiten liegt darin, dass auch alte, für die Landwirtschaft kaum noch relevante Nutzpflanzen in die Untersuchungen einbezogen werden. Die heute angebauten Getreidesorten sind größtenteils Züchtungen aus den letzten 50 Jahren. Dabei stand die Steigerung der Erträge im Vordergrund, eine ausreichende Wasser- und Nährstoffversorgung galt als gewährleistet. Die Frage, ob sich die Pflanzen an einen klimabedingten Mangel an Wasser und Nährstoffen anpassen können, blieb daher meistens außer Betracht.
Im Zuge dieser Entwicklung könnten jedoch Gene verloren gegangen sein, die für die Widerstandsfähigkeit von Getreidepflanzen wichtig sind. Sie versetzen die Pflanzen in die Lage, die Verhältnisse im Boden zu ihrem eigenen Vorteil zu beeinflussen. So können die Wurzeln beispielsweise Substanzen absondern, welche die Ansiedlung von Pilzen und Bakterien in der unmittelbaren Nachbarschaft fördern. Symbiosen mit Pilzen, die Nährstoffe liefern, oder Symbiosen mit Bakterien, die Stickstoff aus der Luft binden können, machen die Pflanzen weniger anfällig für die Folgen von Dürre oder anderen Extremereignissen. An alten Nutzpflanzensorten lässt sich ablesen, ob die genetische Basis für einen derartigen Selbstschutz durch rein ertragsorientierte Züchtungen verändert wurde. Zudem enthalten sie möglicherweise weitere Hinweise darauf, welche Eigenschaften der Rhizosphäre die Stresstoleranz von Pflanzen stärken können.
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