Germany
November 30, 2012
High-yielding dwarf plant varieties lose their advantage due to increasing carbon dioxide concentration
The carbon dioxide content of the atmosphere continues to climb and heat up the climate. The gas is, however, indispensable for plants, as they use the carbon it provides to form glucose and other important substances. Therefore, the more carbon dioxide the better? The equation is unfortunately not as simple as that. The plants, which ensure our basic food supply today, have not been bred for vertical growth but for short stalks and high grain yields. Scientists from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology and the University of Potsdam have now discovered that an increase in carbon dioxide levels could cancel out the beneficial effects of dwarf varieties.
A variety of rice called IR8, which has now disappeared almost completely from the market, caused quite a stir in the 1960s. At the time, this dwarf variety of rice produced incredible yields and warded off the food shortages predicted at the time. While most other high-yielding varieties buckled under the weight of their grains, IR8’s strong short stalks had no difficulty in supporting its high grain yields. In addition, the plant saved on nutrients and energy through the lack of vertical growth and was even more productive as a result. Everything that was not required to grow longer stalks was made available to the rice grains. Plants like IR8 succeeded in protecting humanity against global famine and were hailed as part of the “Green Revolution” in agriculture.
In the meantime, however, the yields from IR8 have declined by around 15 percent, and the cultivation of this previously very promising plant is no longer seen as worthwhile. To understand this development, it is necessary to know about the mechanism that lies behind dwarf growth in plants. The dwarf rice variety lacks an enzyme that is required for the production of the plant growth hormone gibberellic acid; without gibberellic acid, the rice plant remains short but strong and high-yielding. Although nothing has changed in the genetic makeup of the IR8 rice plant in the past 50 years, its yields have declined continuously. The researchers working with Bernd Müller-Röber from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology and the University of Potsdam therefore wanted to find out whether this development was possibly linked with the global increase in atmospheric carbon dioxide levels. After all, the current concentration of the greenhouse gas in the atmosphere is 25 percent higher than in the 1960s.
Using the model plant Arabidopsis thaliana (generally known as thale cress), the researchers were able to observe that a higher carbon dioxide concentration results in the unblocking of the capacity of dwarf plant to form gibberellic acid. The carbon dioxide appears to have the same growth-stimulating effect as that triggered by the gibberellic acid. Thus, in the experiment, the dwarf plants gradually lost their advantage and increasingly resembled the control plants.
“Breeders now face the challenge of developing new plants that can continue to provide good yields under the altered climatic conditions,” says Jos Schippers, one of the authors of the study. The cultivation of dwarf varieties is not only common in the case of rice, farmers also prefer short-stalked varieties of wheat; both cereals are the staple food consumed by a majority of the global population. The researchers are now looking for the mechanism through which the gaseous carbon dioxide influences the growth of the plants.
Kohlendioxid könnte Ernteerträge verringern
Ertragreiche Zwergsorten verlieren durch steigende Kohlendioxid-Konzentration ihren Vorteil
Der Gehalt an Kohlendioxid in der Atmosphäre steigt unaufhörlich und heizt das Klima an. Für Pflanzen ist das Gas jedoch unverzichtbar, denn sie benutzen den Kohlenstoff zum Aufbau von Zucker und anderen wichtigen Stoffen. Je mehr Kohlendioxid also, desto besser? Ganz so einfach ist es leider nicht. Die Pflanzen, die heute unsere Ernährungsgrundlage sichern, sind nicht auf Wachstum, sondern auf kurze Halme und hohen Kornertrag gezüchtet worden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie und der Universität Potsdam haben nun entdeckt, dass ein Anstieg der Kohlendioxid-Werte den Erfolg der Zwergsorten zunichtemachen könnte.
In den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts gab es viel Aufsehen um eine Reissorte namens IR8, die heute fast gänzlich vom Markt verschwunden ist. Damals brachte der kleinwüchsige Reis unglaubliche Erträge und wendete die prophezeite Nahrungsmittelknappheit von der Menschheit ab. Seine kurzen, starken Halme konnten die hohen Kornerträge ohne Probleme stemmen, während die meisten anderen Hochleistungssorten unter dem Gewicht ihrer Körner einknickten. Sein geringeres Höhenwachstum sparte der Pflanze außerdem Nährstoffe und Energie und machte sie noch ertragreicher. Alles, was nicht mehr zum Aufbau langer Halme gebraucht wurde, verfrachtete der Reis in die Körner. Pflanzen wie IR8 schafften es, die Menschheit vor einer globalen Hungersnot zu bewahren, man spricht von der „Grünen Revolution“ in der Landwirtschaft.
Inzwischen sind die Erträge von IR8 wieder um etwa 15 Prozent eingebrochen, ein Anbau der einst so vielversprechenden Pflanze lohnt sich nicht mehr. Um das zu verstehen, muss man wissen, welcher Mechanismus hinter der Zwergwüchsigkeit steckt. Dem kleinwüchsigen Reis fehlt ein Enzym, das er zur Herstellung des pflanzlichen Wachstumshormons Gibberellinsäure benötigt. Ohne die Gibberellinsäure bleibt der Reis klein, aber kräftig und ertragreich. Obwohl sich in den vergangenen 50 Jahren nichts an der genetischen Ausstattung der Reispflanze IR8 verändert hat, sind die Erträge stetig gesunken. Die Forscher um Bernd Müller-Röber vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie und der Universität Potsdam wollten herausfinden, ob es nicht einen Zusammenhang mit dem globalen Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre geben könnte. Die heutige Konzentration des Treibhausgases ist immerhin um 25 Prozent höher, als noch in den sechziger Jahren.
An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (umgangssprachlich Ackerschmalwand genannt) konnten die Forscher beobachten, dass ein erhöhter Kohlendioxid-Gehalt tatsächlich dazu führt, dass kleinwüchsige Pflanzen, deren Fähigkeit zur Bildung der Gibberellinsäure geblockt war, wieder in die Höhe schießen. Das Kohlendioxid scheint den gleichen wachstumsstimulierenden Effekt zu haben, den sonst die Gibberellinsäure ausübt. Den Zwergpflanzen geht also nach und nach ihr Vorteil verloren, sie gleichen sich immer weiter den Kontrollpflanzen an.
„Züchter stehen damit vor der Herausforderung, neue Pflanzen entwickeln zu müssen, die unter den veränderten klimatischen Bedingungen weiterhin gute Erträge bringen“, so Jos Schippers, einer der Autoren der Publikation. Denn nicht nur beim Reis haben sich Zwergvarianten durchgesetzt, auch beim Weizen setzen Landwirte gern auf die kurzstieligen Sorten und diese beiden Getreide sind Grundnahrungsmittel für einen Großteil der globalen Bevölkerung. Jetzt sind die Forscher auf der Suche nach dem Mechanismus, durch den das gasförmige Kohlendioxid das Wachstum der Pflanzen beeinflusst.
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