Würzburg, Germany
May 17, 2016
When it is dry, plants close their stomata to save water. In hot weather, in contrast, they will open the pores to use the effect of evaporative cooling. (Picture: Peter Ache)
Bei Trockenheit schließen Pflanzen ihre Stomata, um Wasser zu sparen. Bei Hitze dagegen machen sie die Poren auf, um die Verdunstungskälte für die Kühlung der Blätter zu nutzen. (Bild: Peter Ache)
Breeding barley that provides good yields even in a hot and dry climate – a research team of the University of Würzburg is currently busy with this task. The project is part of the new Bavarian alliance "BayKlimaFit" aimed at finding strategies to adapt crops to climate change.
As climate changes, very hot and very dry periods will occur more frequently. As a result, farmers will be threatened by yield loss or even total crop failure. The problem could be solved by breeding crop varieties that manage water more efficiently, making them less sensitive to drought and heat.
The plant scientists Professor Rainer Hedrich and Dr. Peter Ache from Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in Bavaria, Germany, are working to achieve this using barley. In a first step, they want to determine which molecular switches in the plant are responsible for water management during hot and dry weather based on a reference variety.
Field tests including some 100 breeding lines
Simultaneous field test are launched in Freising in cooperation with the Bavarian State Research Center for Agriculture (LfL) domiciled there. Other participants include the work group of Professor Uwe Sonnewald (biochemistry, University Erlangen-Nuremberg) and various seed breeding companies.
The first field tests are set to single out barley varieties that are particularly tolerant and sensitive to stress from among some 100 crop lines. By comparing these lines with the reference crop, the researchers then plan to identify possible marker genes for heat and drought tolerance and make them available to the participating companies for breed selection. "Our goal is not to genetically modify plants; rather we want to help breeders to selectively identify the desired properties in their existing varieties using the marker genes," Peter Ache explains.
260,000 euros provided by BayKlimaFit
The project is part of the new Bavarian research alliance "BayKlimaFit" aimed at finding strategies to adapt crops to climate change. The alliance started operation in February 2016. It brings together specialist research teams and work groups from all over Bavaria.
BayKlimaFit is financed by the Bavarian State Ministry of the Environment and Consumer Protection; 260,000 euros have been allocated to the JMU project. Among others, the money is used to pay for a PhD position and a part-time technical assistance position.
How plants can save water
For several years, Hedrich's team has studied the molecular mechanisms that allow plants to regulate their water balance. Among other findings, his research activities have given insight into how plants open and close their so-called stomata. Stomata are tiny openings in the leaves that allow plants to limit the loss of water.
Under hot and dry conditions the plant faces a dilemma: When temperatures are high, the plant wants to open the stomata in order to cool its leaves by evaporation. But when it is dry, the plant prefers to close its stomata to keep in as much water as possible. The researchers are looking for a way out of this dilemma.
Pflanzen für den Klimawandel fit machen
Gerste züchten, die auch bei Hitze und Trockenheit gute Erträge liefert – daran arbeitet ein Forschungsteam der Uni Würzburg. Das Projekt ist Teil des neuen bayerischen Verbundes „BayKlimaFit – Strategien zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel“.
Im Zuge des Klimawandels ist damit zu rechnen, dass es künftig öfter sehr heiß und sehr trocken ist. Der Landwirtschaft wird das Probleme machen, denn es drohen Ernteeinbußen oder sogar Ausfälle. Eine Lösung könnten züchterisch verbesserte Nutzpflanzen sein, die besser mit Wasser haushalten und dadurch unempfindlicher gegen Trockenheit und Hitze sind.
Auf diesem Gebiet arbeiten die Pflanzenwissenschaftler Professor Rainer Hedrich und Dr. Peter Ache von der Universität Würzburg. Als Versuchspflanze verwenden sie die Gerste. Zunächst wollen sie an einer Referenzsorte herausfinden, welche molekularen Schalter in der Pflanze für das Wassermanagement bei Hitze und Trockenheit zuständig sind.
Feldversuche mit rund 100 Zuchtlinien
Gleichzeitig starten Feldversuche in Freising, und zwar in Kooperation mit der dort beheimateten Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft. Beteiligt sind außerdem die Arbeitsgruppe von Professor Uwe Sonnewald (Biochemie, Uni Erlangen-Nürnberg) und verschiedenen Saatzuchtfirmen.
Bei den Feldversuchen sollen aus rund 100 Zuchtlinien der Gerste besonders stresstolerante und -empfindliche Sorten aufgespürt werden. Über den Vergleich dieser Linien mit der Referenzsorte wollen die Forscher dann mögliche Markergene für Hitze- und Trockentoleranz identifizieren und den beteiligten Firmen für die Zuchtauswahl zur Verfügung stellen. „Gentechnisch veränderte Pflanzen sind hier nicht das Ziel; vielmehr sollen die Züchter anhand der Markergene gezielt die gewünschten Eigenschaften in ihren vorhandenen Sorten selektieren können“, erklärt Peter Ache.
260.000 Euro aus dem Verbund BayKlimaFit
Das Projekt gehört zum neuen bayerischen Forschungsverbund „BayKlimaFit – Strategien zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel“. Er hat seine Arbeit im Februar 2016 aufgenommen. Im Verbund sind einschlägig qualifizierte Forschungs- und Arbeitsgruppen aus ganz Bayern vertreten.
Finanziert wird BayKlimaFit vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz; an das Würzburger Projekt gehen rund 260.000 Euro. Mit dem Geld werden unter anderem eine Promotionsstelle und eine halbe Stelle für Technische Assistenz bezahlt.
Wie Pflanzen Wasser sparen können
Hedrichs Team befasst sich seit Jahren mit den molekularen Mechanismen, über die Pflanzen ihren Wasserhaushalt steuern. Seine Forschungen haben unter anderem aufgeklärt, wie Pflanzen ihre so genannten Stomata öffnen und schließen. Stomata sind kleine Öffnungen in den Blättern, über die sich der Verlust von Wasser einschränken lässt.
Ist es gleichzeitig heiß und trocken, steckt die Pflanze allerdings in einem Dilemma: Bei Hitze will sie ihre Blätter durch Verdunstung kühlen und die Stomata öffnen. Doch bei Trockenheit will sie ihre Stomata schließen, damit möglichst wenig Wasser entweichen kann. Aus diesem Dilemma gilt es, einen Ausweg zu finden.
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