Berlin
October 20, 2023
With the aid of innovative statistical methods, researchers explore the complex interplay between life cycle, environmental factors and genetic information using wheat as an example.
Cereal crops such as wheat are sensitive to climate change. Many studies show that their yield decreases as temperatures rise and extreme weather events increase. A team led by agricultural scientist Prof. Dr Tsu-Wei Chen from the Humboldt-Universität zuBerlin has developed a new statistical method with which the researchers have been able to demonstrate that there are certain time windows in the life cycle of plants during which environmental variables, such as temperatures or precipitation, have a particularly large influence on later yields. How high the yield losses are in unfavourable environmental conditions also depends on the genetic make-up of individual cultivars. These findings can, therefore, provide important insights for the future breeding of stress-resistant wheat cultivars. The researchers published their results in the renowned journal Nature Plants.
Climate change is altering cultivation conditions and is already leading to crop failures
Winter wheat is one of the most important crops worldwide and is therefore crucial for food security. There are many factors that determine how large the harvest is at the end, such as the temperature and rainfall levels, the quality of the soil, the type of cultivation, or the cultivar used. Climate change is changing cultivation conditions and is already leading to major crop failures. Farmers have to adapt to this and need new solutions.
Important time windows in the plant life cycle
“It is already known that winter wheat is very sensitive to high temperatures during the flowering season, from around the end of May to the beginning of June,” explains Tsu-Wei Chen. If temperatures increase to over 30 degrees Celsius during this period, the fertilisation rate drops rapidly as the pollen gets damaged. The plant then forms only a few kernels, and the yield remains low. During the life cycle of the wheat plant, there are very many of these special time windows in which it reacts sensitively to various environmental influences. It is difficult to investigate the interaction of environment, genotype and developmental phase during these time windows.
New method makes complex relationships visible
“There are hundreds of wheat cultivars in Germany alone, and all of them have different characteristics,” explains Tsu-Wei Chen. “It is almost impossible to characterise all cultivars in detail in field experiments, so as to determine all the strengths and weaknesses and the interactions with the environment.” In order to understand these relationships better nevertheless, the researchers developed a statistical method and applied it to data from field experiments involving 220 different winter wheat cultivars grown at six test sites across Germany for three consecutive seasons. For each site, each cultivar and each year of the experiment, soil data were determined, along with the determinative yield components, i.e., kernels per spike, spike number, and thousand-kernel weight. The research team combined this data with growth models and selected weather data from the region in question for a total of 81 different time windows per season.
Through this new statistical method, the researchers not only identified all already known sensitive developmental phases, but also ascertained new key moments in the plant life cycle. They were also able to determine which environmental influences are decisive at these times and how strongly the individual cultivars react to them. For example, they discovered that nighttimetemperature before flowering governs the kernel size, that precipitation still increases the number of ears even after flowering, andthat during the late grain filling stage at the end of July, the intensity of the solar radiation influences the weight of the mature kernels.
Breeding stress-resistant cultivars
“We have not only discovered new sensitive time windows, but also instances of stress resistance in certain cultivars,” emphasises Tsu-Wei Chen. These findings are particularly important for future breeding, in order to be able to identifycultivars and genetic resources that are less sensitive to environmental fluctuations and can, thus, reliably deliver stable yields. Furthermore, the novel methods allow cereal crop yields to be predicted under future climate conditions. “Our results open up new avenues for future research and raise several unanswered questions. For example, we need to explore which physiological processes and mechanisms regulate sensitivity and which genetic regions and genes are associated with it,” explains the researcher.
Research institutions involved
- Leibniz Universität Hannover
- Christian-Albrechts-Universität Kiel
- Justus-Liebig-Universität Gießen
- Julius Kühn-Institute
- Universität Bonn
Publikation
Khadija Sabir, Till Rose, Benjamin Wittkop, Andreas Stahl, Rod J. Snowdon, Agim Ballvora, Wolfgang Friedt, Henning Kage, Jens Léon, Frank Ordon, Hartmut Stützel, Holger Zetzsche and Tsu-Wei Chen. 2023. Stage-specific genotype-by-environment interactions determine yield components in wheat. Nature Plants.
Link to the study
Impulse für die Züchtung von Kulturpflanzen angesichts des Klimawandels
Mithilfe neuer statistischer Verfahren ergründen Forschende das komplexe Wechselspiel zwischen Lebenszyklus, Umweltfaktoren und Erbinformation am Beispiel von Weizen.
Getreidepflanzen wie Weizen reagieren empfindlich auf den Klimawandel. Viele Studien zeigen, dass ihr Ertrag mit steigenden Temperaturen und zunehmenden Extremwetterereignissen sinkt. Ein Team um den Agrarwissenschaftler Prof. Dr. Tsu-Wei Chen von der Humboldt-Universität zu Berlin hat ein neues statistisches Verfahren entwickelt, mit dem die Forschenden nachweisen konnten, dass es bestimmte Zeitfenster im Lebenszyklus der Pflanzen gibt, in denen Umweltfaktoren wie Temperaturen oder Niederschläge besonders großen Einfluss auf die späteren Erträge haben. Wie hoch die Ertragseinbußen bei ungünstigen Umweltbedingungen sind, ist auch von der genetischen Ausstattung einzelner Sorten abhängig. Daher können die Erkenntnisse wichtige Impulse für die künftige Züchtung von stressresistenten Weizensorten liefern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Plants.
Klimawandel verändert Anbaubedingungen und führt schon heute zu Ernteausfällen
Winterweizen gehört zu den wichtigsten Kulturpflanzen weltweit und ist damit entscheidend für die Ernährungssicherheit. Viele Faktoren, wie etwa die Höhe der Temperaturen und Niederschläge, die Bodenqualität, die Art der Bewirtschaftung oder die verwendete Sorte bestimmen darüber, wie groß die Ernte am Ende ausfällt. Der Klimawandel verändert die Anbaubedingungen und führt bereits heute zu großen Ernteausfällen. Landwirtinnen und Landwirte müssen sich darauf einstellen und brauchen neue Lösungen.
Wichtige Zeitfenster im Lebenszyklus der Pflanze
„Es ist bereits bekannt, dass Winterweizen in der Blütezeit von etwa Ende Mai bis Anfang Juni sehr empfindlich gegenüber hohen Temperaturen ist“, erklärt Tsu-Wei Chen. Steigen die Temperaturen in dieser Zeit auf über 30 Grad Celsius, sinkt die Befruchtungsrate rapide, da der Pollen Schaden nimmt. Die Pflanze bildet dann nur wenige Körner und der Ertrag bleibt gering. Im Lebenszyklus der Weizenpflanze gibt es sehr viele dieser speziellen Zeitfenster, in denen sie empfindlich auf verschiedene Umwelteinflüsse reagiert. Das Zusammenspiel von Umwelt, Erbgut und Entwicklungsphase in diesen Zeitfenstern zu untersuchen ist schwierig.
Komplexe Zusammenhänge werden mit neuer Methode sichtbar
„Es gibt Hunderte Weizensorten allein in Deutschland und alle haben unterschiedliche Eigenschaften“, erklärt Tsu-Wei Chen. „Es ist nahezu unmöglich, alle Sorten in Feldversuchen detailliert zu charakterisieren, um sämtliche Stärken und Schwachstellen und die Wechselwirkungen mit der Umwelt zu ermitteln.“ Um diese Zusammenhänge trotzdem besser zu verstehen, entwickelten die Forschenden ein statistisches Verfahren und wendeten es auf Daten aus Feldversuchen mit 220 unterschiedlichen Winterweizensorten an, die an sechs Versuchsstandorten in ganz Deutschland in drei aufeinanderfolgenden Saisons angebaut wurden. Für jeden Standort, jede Sorte und jedes Versuchsjahr wurden Bodendaten und die entscheidenden Ertragskomponenten, also Kornzahl pro Ähre, Ährenzahl und Tausendkorngewicht, ermittelt. Diese Daten kombinierte das Forschungsteam mit Wachstumsmodellen und ausgewählten Wetterdaten der jeweiligen Region zu insgesamt 81 verschiedenen Zeitfenstern pro Saison.
Durch das neue statistische Verfahren haben die Forschenden nicht nur alle bereits bekannten empfindlichen Entwicklungsphasen identifiziert, sondern auch neue Schlüsselmomente des pflanzlichen Lebenszyklus erkannt. Sie konnten ebenfalls ermitteln, welche Umwelteinflüsse zu diesen Zeitpunkten entscheidend sind und wie stark die einzelnen Sorten darauf reagieren. So entdeckten sie etwa, dass die Nachttemperatur vor der Blüte die Korngröße steuert, dass Niederschläge auch noch nach der Blüte die Anzahl der Ähren erhöhen oder dass während der späten Kornfüllungsphase Ende Juli die Intensität der Sonnenstrahlung das Gewicht der reifen Körner beeinflusst.
Züchtung stressresistenter Sorten
„Wir haben nicht nur neue sensitive Zeitfenster entdeckt, sondern auch Stressresistenzen in bestimmten Sorten“, betont Tsu-Wei Chen. Diese Erkenntnisse sind für die zukünftige Züchtung besonders wichtig, um Sorten und genetische Ressourcen identifizieren zu können, die weniger empfindlich gegenüber Umweltschwankungen sind und daher zuverlässig stabile Erträge liefern können. Außerdem erlauben die neuen Methoden, Getreideerträge unter zukünftigen Klimabedingungen vorherzusagen. „Unsere Ergebnisse eröffnen neue Forschungsfelder für die Zukunft und werfen auch zahlreiche unbeantwortete Fragen auf. Zum Beispiel müssen wir untersuchen, welche physiologischen Prozesse und Mechanismen die Sensitivität regulieren und welche genetischen Regionen und Gene damit verbunden sind“, erklärt der Forscher.
Beteiligte Institutionen
Leibniz Universität Hannover, Christian-Albrechts-Universität Kiel,
Justus-Liebig-Universität Gießen, Julius Kühn-Institute , Universität Bonn
Zur Person
Prof. Dr. Tsu-Wei Chen ist seit 2020 Professor für Intensive Plant Food Systems an der Fakultät für Lebenswissenschaften der Humboldt-Universität zu Berlin. Im Jahr 2020 wurde er in das renommierte Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) aufgenommen. Er erforscht die physiologischen Funktionen gärtnerischer und landwirtschaftlicher Kulturpflanzen (Getreide und Gemüse) und wie diese Funktionen durch Pflanzenzüchtung verbessert werden können.
Weitere Informationen zur Professur Intensive Plant Food Systems
Publikation
Khadija Sabir, Till Rose, Benjamin Wittkop, Andreas Stahl, Rod J. Snowdon, Agim Ballvora, Wolfgang Friedt, Henning Kage, Jens Léon, Frank Ordon, Hartmut Stützel, Holger Zetzsche and Tsu-Wei Chen. 2023. Stage-specific genotype-by-environment interactions determine yield components in wheat.
Zum Artikel in Nature Plants
Topics
Species
