Zurich, Switzerland
November 5, 2018
Diverse communities of plants and animals typically perform better than monocultures. However, the mechanisms that are responsible for this have so far been a mystery to science. Biologists at the University of Zurich have now been able to identify the genetic cause of these effects. Their findings might help to improve crop yield.
The ongoing worldwide loss of biological diversity is one of the most pressing challenges humankind currently faces. Biodiversity is vital to humans not least because it supports ecosystem services such as the provision of clean water and the production of biomass and food. Many experiments have shown that diverse communities of organisms function better in this regard than monocultures. “In mixed communities plants engage in a kind of division of labor that increases efficiency and improves the functioning of the community as a whole,” explains Pascal Niklaus from the Department of Evolutionary Biology and Environmental Studies of the University of Zurich.
Nevertheless, modern agricultural practice mainly relies on plant varieties that are genetically uniform, since they make it easier to grow and process crops. The benefits of diverse communities therefore remain untapped, also because the underlying mechanisms are not yet fully understood. “Despite intensive research, we currently don’t know which properties make plants good players in such mixed teams,” says Samuel Wüst, main author of the study.
Plants grow better in mixed teams
The two researchers addressed this question by combining modern genetic and ecological approaches. As a test system, they focused on common wallcress (Arabidopsis thaliana), a small crucifer that is genetically well documented. They used systematic crosses of varieties of these plants, which were grown in pots in different combinations. After a few weeks, the researchers weighed the resulting biomass, which allowed them to compare the growth of the plants. As expected, pots with mixtures of different crosses were indeed more productive on average.
Small genetic differences improve yield
Using statistical analyses, the researchers then related the yield gain in mixed communities to the genetic makeup of the crosses. The genetic map they obtained in this way enabled them to identify the parts of the genome that made the combination of plants good mixed teams. They found that even the smallest genetic differences between plants were enough to increase their combined yield.
“We were very surprised that complex and poorly understood properties such as the suitability to form a well-performing mixture had such a simple genetic cause,” says Samuel Wüst. He thinks that their method may help to breed plants that are good team players and thus yield more crops. “Our insights open up completely new avenues in agriculture,” adds Wüst.
Original publication:
Samuel E. Wuest & Pascal A. Niklaus. A plant biodiversity effect resolved to a single chromosomal region. Nature Ecology & Evolution. November 5, 2018. DOI: 10.1038/s41559-018-0708-y
Kleine Unterschiede im Erbgut machen Pflanzen teamfähiger
Artenreiche Gemeinschaften von Tieren und Pflanzen funktionieren in der Regel besser als Monokulturen. Doch die Mechanismen, die dafür verantwortlich sind, stellen die Wissenschaft bis heute vor ein Rätsel. Biologen der Universität Zürich ist es nun gelungen, die genetische Ursache solcher Effekte zu identifizieren. Dies kann helfen, den Ertrag von Nutzpflanzen zu verbessern.
Der weltweite dramatische Verlust an biologischer Vielfalt ist eines der grössten Probleme unserer Zeit – nicht zuletzt, weil die Biodiversität auch dem Menschen zugute kommt, etwa bei der Reinigung von Wasser oder der Produktion von Biomasse und Nahrungsmitteln. Dass vielfältige Gemeinschaften von Lebewesen hierfür besser funktionieren als Monokulturen wurde bereits in zahlreichen Experimenten nachgewiesen. «In Mischungen gehen unterschiedliche Pflanzen eine Art Arbeitsteilung ein, die zu einer höheren Effizienz und einem besseren Funktionieren der Gemeinschaft als Ganzem führt», erläutert Pascal Niklaus vom Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften der Universität Zürich.
Trotzdem basiert die moderne Landwirtschaft hauptsächlich auf Monokulturen, denn einheitliche Pflanzen erleichtern den Anbau und die Verarbeitung zu Nahrungsmitteln. Das Potential von biologisch vielfältigen Pflanzengemeinschaften bleibt hingegen meist ungenutzt – auch weil die dahinter stehenden Mechanismen nicht bekannt sind. «Welche konkreten Eigenschaften Pflanzen zu guten Mitspielern in solchen gemischten Teams machen, ist bis heute trotz intensiver Forschung weitgehend ungeklärt», sagt Samuel Wüst, Hauptautor der Studie.
Pflanzen wachsen besser in gemischten Teams
Die beiden Forscher sind dieser Frage nun mit einem neuen Verfahren nachgegangen, das moderne genetische Analysen und ökologische Methoden miteinander kombiniert. Als Versuchsobjekt diente die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), ein kleiner Kreuzblütler, dessen Erbgut gut dokumentiert ist. Die Forscher verwendeten systematische Kreuzungen von verschiedenen Sorten dieses Krautes und erhielten so eine grosse Anzahl genetischer Varianten. Diese Kreuzungen wurden in unterschiedlichen Kombinationen in Töpfe ausgesät und über mehrere Wochen gemeinsam aufgezogen. Durch Wiegen der dabei entstandenen Biomasse liess sich das Wachstum dieser Pflanzenmischungen dann miteinander vergleichen. Dabei zeigte sich, dass Töpfe mit genetisch unterschiedlichen Individuen im Mittel bessere Erträge lieferten als Töpfe, in denen genetisch einheitliche Pflanzen wuchsen.
Minimale genetische Unterschiede steigern den Ertrag
Mit Hilfe statistischer Analysen setzten die Forscher danach die erhaltenen Erträge in Beziehung zum Erbgut der jeweiligen Pflanzen. Eine solche genetische Kartierung ermöglichte, diejenigen Genregionen zu identifizieren, welche die Teamfähigkeit der Ackerschmalwand positiv beeinflussten. Die Auswertung ergab, dass bereits einzelne kleinste genetische Unterschiede ausreichten, um die Pflanzen zu effizienten gemischten Teams zu machen.
«Es hat uns sehr überrascht, dass solche komplexen und bisher schlecht verstandenen Eigenschaften von Pflanzen wie deren Teamfähigkeit eine solch einfache genetische Grundlage haben», sagt Samuel Wüst. Er glaubt, dass sich mit Hilfe dieser Methode in Zukunft gezielt Nutzpflanzen züchten lassen, die gute Teamplayer sind und so bessere Erträge liefern. «Unsere Einsicht eröffnet somit ganz neue Perspektiven für die Landwirtschaft», so Wüst.
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