Gatersleben, Germany
September 5, 2023
Researchers from IPK Leibniz Institute have investigated how the behavior of an individual wheat plant under limiting light conditions influences the performance of the whole community. They assessed morphological and biomass phenotypes of single plants grown in mixtures under sunlight and a simulated canopy shade, and the relevance of these phenotypes for the monoculture community in the field.
One of the most significant drivers of crop evolution stems from the changes in the selection associated with the shift of plants from a highly heterogeneous and biodiverse natural environment into a homogeneous monoculture environment. Competition for resources has been considered a prevalent force in structuring plant populations under natural selection, often favoring the most competitive individual plants in a particular environment. The architecture and behavior of successful genotypes as individual plants differ from that of genotypes thriving in a community. Individual plant fitness is increased by ‘selfish’ traits, which may, like in humans, negatively impact the performance of the community.
“Agriculture relies on community performance”, emphasizes Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, head of the research group “Plant Architecture” at IPK Leibniz Institute. “But the environment in which crops are grown, i.e. their ecology in the agricultural context, their agroecology, is hardly explored and less understood. It is surprising how less we know about the interactions among plants grown in a dense, real-world community.”
Today, crop plants are grown in high-density stands where they experience limited light availability due to mutual shading. “Therefore, by simulating canopy shade, we may get closer to the conditions plants are experiencing in high-density stands in the field, which may be helpful for studying and selecting plants for higher grain yield”, says Dr. Guy Golan, first author of the current study. “Cooperative behaviors and highly fertile inflorescences in a light-limited/shaded environment are most important for a thriving grain crop community.”
The researchers found behaviors that nourish the fitness of the individual plant as non-beneficial and, in some cases, detrimental to the performance of the whole community. The results have recently been published in the “Plant, Cell & Environment” journal as part of the Special Issue: Tradeoffs in Plant Responses to the Environment. Moreover, the researchers say that multiple phenotypes attained under simulated shade could better explain community performance of the wheat crop, advocating the use of simulated shade in breeding high-yielding cultivars.
“Having much deeper insights into these interactions, and specifically understanding their molecular and genetic components is very important to develop more resilient and resource-efficient crop plants for the future”, says Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch. “Embracing an agroecological genetics approach may optimize communal yield by better matching crops to their environment, as either monoculture or a mixture.”
Original publication:
Golan et al.: (2022) Exploring the trade‐off between individual fitness and community performance of wheat crops using simulated canopy shade. Plant, Cell & Environment DOI: 10.1111/pce.14499
Wie beeinflusst das Sozialverhalten von Weizenpflanzen die Getreideproduktion?
Forscher des IPK Leibniz-Instituts haben untersucht, wie das Verhalten einer einzelnen Weizenpflanze unter einschränkenden Lichtbedingungen die Leistung der gesamten Gemeinschaft beeinflusst. Sie bewerteten morphologische und biomassebezogene Phänotypen von Einzelpflanzen, die in Mischungen unter Sonnenlicht und simuliertem Schatten angebaut wurden, sowie die Relevanz dieser Phänotypen für die Monokulturgemeinschaft im Feld.
Eine der wichtigsten Triebkräfte für die Evolution der Kulturpflanzen ist die veränderte Auslese, die mit dem Übergang der Pflanzen aus einer sehr heterogenen und artenreichen natürlichen Umgebung in eine homogene Monokulturumgebung einhergeht. Der Wettbewerb um Ressourcen gilt als eine vorherrschende Kraft bei der Strukturierung von Pflanzenpopulationen im Rahmen der natürlichen Selektion, die häufig die wettbewerbsfähigsten Einzelpflanzen in einer bestimmten Umgebung begünstigt. Die Plflanzenarchitektur und das Verhalten erfolgreicher Genotypen als Einzelpflanzen unterscheiden sich von denen der Genotypen, die in einer Gemeinschaft gedeihen. Die individuelle Pflanzenfitness wird durch „egoistische“ Merkmale erhöht, die sich, wie beim Menschen, negativ auf die Leistung der Gemeinschaft auswirken können.
„Landwirtschaft ist auf Gemeinschaftsleistung angewiesen“, betont Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, Leiter der Forschungsgruppe „Pflanzliche Baupläne“ am IPK Leibniz-Institut. „Aber die Umwelt, in der Pflanzen angebaut werden, also ihre Ökologie im landwirtschaftlichen Kontext, ihre Agrarökologie, ist kaum erforscht und noch wenig verstanden. Es ist erstaunlich, wie wenig wir über die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen wissen, die in einer dichten Gemeinschaft unter praxisnahen Anbaubedingungen wachsen.“
Heute werden Nutzpflanzen in dichten Beständen angebaut, in denen sie aufgrund der gegenseitigen Beschattung nur begrenztes Licht erhalten. „Durch die Simulation der Beschattung können wir uns den Bedingungen annähern, die Pflanzen in dichten Beständen auf dem Feld vorfinden, was für die Untersuchung und Auswahl von Pflanzen für höhere Getreideerträge hilfreich sein kann“, sagt Dr. Guy Golan, Erstautor der aktuellen Studie. „Kooperative Verhaltensweisen und sehr fruchtbare Blütenstände in einer lichtbegrenzten/schattigen Umgebung sind für eine ertragreiche Getreidepflanzengemeinschaft am wichtigsten.“
Die Forscher stellten fest, dass Verhaltensweisen, die die Fitness der einzelnen Pflanze fördern, nicht vorteilhaft und in einigen Fällen sogar schädlich für die Leistung der gesamten Gemeinschaft sind. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift „Plant, Cell & Environment“ als Teil der Sonderausgabe „Tradeoffs in Plant Responses to the Environment“ veröffentlicht. Darüber hinaus sagen die Forscher, dass mehrere Phänotypen, die unter simuliertem Schatten erreicht werden, die Gemeinschaftsleistung der Weizenpflanze besser erklären könnten, und plädieren für die Verwendung von simuliertem Schatten bei der Züchtung von Hochertragssorten.
„Tiefere Einblicke in diese Wechselwirkungen und insbesondere das Verständnis ihrer molekularen und genetischen Komponenten sind sehr wichtig, um widerstandsfähigere und ressourceneffizientere Nutzpflanzen für die Zukunft zu entwickeln“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch. „Die Anwendung eines agrarökologischen Genetikansatzes kann den gemeinschaftlichen Ertrag optimieren, indem die Pflanzen besser an ihre Umwelt angepasst werden, entweder als Monokultur oder als Mischung.“
Originalpublikation:
Golan et al.: (2022) Exploring the trade‐off between individual fitness and community performance of wheat crops using simulated canopy shade. Plant, Cell & Environment
DOI: 10.1111/pce.14499
Topics
Species
