Wurzeln der Trockenresistenz

Pflanzenbauliche Strategien müssen zukünftig vermehrt auf effiziente Ressourcennutzung achten. Wasser ist bereits heute in vielen Teilen der Welt limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum. Ein vermehrtes Auftreten von Trockenheit wird im Zuge des Klimawandels erwartet. Die Pflanzenwurzel kann über effiziente Wasseraufnahme einen besonders wichtigen Beitrag zur Trockenstressresistenz leisten. Wurzelsysteme haben eine hohe natürliche Vielfalt, die jedoch bisher kaum zur Verbesserung der Nutzpflanzen genutzt wird. Die Stress-Vermeidung über effiziente Wasseraufnahme ist im Gegensatz zu viele oberirdische Trockenstress-Reaktionen der Pflanze mit hohen Erträgen kompatibel. Bisher gibt es kein ausreichendes Verständnis welche Wurzelsysteme und -eigenschaften sich am besten eignen, um in einer bestimmten hydrologischen Situation die Pflanze optimal mit Wasser zu versorgen. Wenn es um die Integration der Wurzel in die züchterische Verbesserung von Nutzpflanzen geht ist jedoch die gezielte Wahl von Pflanzenmaterial unerlässlich, da bisher keine Methoden der Phänotypisierung größerer Populationen auf Wurzeleigenschaften existieren. Im vorliegenden Projekt wird vorgeschlagen, dass eine gezielte Auswahl pflanzengenetischer Ressourcen mit hoher Wurzelwasseraufnahme über den Zusammenhang zwischen Wurzelsystemausprägung und den ökohydrologischen Standortbedingung möglich ist. Diese Hypothese geht davon aus, dass die Evolution der Wurzelsysteme ein Optimierungsprozess an das vorherrschende Feuchteregime in den Entstehungsregionen der jeweiligen Genotypen ist. Ziel des Projektes ist es daher, die Beziehung zwischen Wurzeldiversität und Standortcharakteristika zu bestimmen. Dazu wird eine Auswahl von Hartweizen-Landsorten untersucht, deren regionaler Ursprung einem Trockenheitsgradienten folgt. Ergänzend werden ausgewählte Wildformen (Einkorn, Emmer) sowie zwei moderne Zuchtsorten untersucht. Besonders bei Landsorten wird eine effiziente Wurzelwasseraufnahme erwartet, während für Wildtypen eher eine Wassernutzungsstrategie mit reduzierten Verlusten angenommen wird, die gleichzeitig das Assimilationspotential limitiert. Im Projekt wird die Wurzelarchitektur der Genotypen mit einem neuen hyperspektralen Bildanalyse-System für Rhizoboxen vermessen. Unterschiedliche Durchwurzelungsstrategien und deren Beziehung zu Umweltvariablen werden mittels Cluster- und Hauptkomponentenanalyse bestimmt. Aufbauend auf die empirischen Daten wird mittels einer innovativen Koppelung von ökohydrologischer und Wurzelarchitekturmodellierung eine Methode entwickelt, um die Hypothese der Wurzelsystemausprägung als Optimierungsprozess an die Standorthydrologie zu überprüfen. Die Bedeutung der unterschiedlichen Wurzelsystemtypen für eine verbesserte Trockenstress-Resistenz wird im Feldversuch überprüft. Ein konzeptionelles Modell für sich unterscheidende Strategien der Trockenstress- Vermeidung mit besonderer Berücksichtigung der Wurzel wird daraus entwickelt. Wir erwarten, dass die Ergebnisse des Projekts Pflanzenzüchter in die Lage versetzen, eine gezielte Auswahl pflanzengenetischer Ressourcen, etwa aus Genbanken, zu treffen, die ihnen Material mit geeigneten Wurzeleigenschaften zur Verfügung stellt, um die Wasseraufnahmefähigkeit landwirtschaftlicher Nutzpflanzen zu verbessern.

Trockenheit ist auf etwa 30 % der Ackerflächen weltweit der wichtigste Ertrag limitierende Faktor. Für die Zukunft der Landwirtschaft sind daher Strategien nötig, mit der Ressource Wasser möglichst effektiv umzugehen und neue Nutzpflanzen-Sorten zu züchten, die auch unter trockenen Bedingungen stabile Erträge liefern. Das Projekt Die Wurzeln der Trockenresistenz untersuchte den Beitrag der genetischen Vielfalt von Hartweizen- Landsorten, wildverwandter Arten und moderner Sorten aus verschiedenen Trockenregionen, um Wurzeleigenschaften für eine bessere Anpassung an Trockenbedingungen zu finden. Es konnte gezeigt werden, dass das beste Wachstum unter Wasserknappheit durch moderne Züchtungen aus Trockengebieten (Iran) erreicht werden kann. Diese kombinieren optimal eine effiziente Wasseraufnahmefähigkeit durch die Wurzeln mit hohem Biomassebildungspotential. Die untersuchten Weizengenetischen Ressourcen zeigten zwei Anpassungsstrategien: (i) Wassersparer mit intensiver Durchwurzelung, kleiner Blattfläche und raschem Schluss der Spaltöffnungen, was Wasserverluste aber auch das Wachstumspotential minimiert; (ii) Wasserverbraucher mit intensivem Blattwuchs, der zwar starken Biomassezuwachs ermöglicht, bei längeren Trockenzeiten jedoch trotz tiefer Durchwurzelung das Risiko für Trockenschäden stark erhöht.Das Verhältnis zwischen Wurzel und Spross änderte sich im Zuge der Domestikation von Weizen: Wildverwandte Einkorn- und Emmer-Genotypen haben mehr Wurzelmasse im Vergleich zur oberirdischen Biomasse. Der modernere Hartweizen dagegen hat die Tiefenverteilung und den Feinwurzelanteil erhöht. Er kann so mit weniger Wurzelbiomasse eine bessere Wassernutzung erzielen.Über Modellberechnungen konnte gezeigt werden, dass für die Selektion optimaler Wurzeleigenschaften die Kenntnis des Zusammenspiels von Wurzelverteilung und Klima/Boden unerlässlich ist: zwar ist die Wurzeltiefe, wie sie trockenresistente Hartweizen zeigen, zumeist das wichtigste Kriterium für gute Erträge im Trockengebiet. In Ökosystemen mit flachgründigen und/oder leichten wenig speicherfähigen Böden wird jedoch das Abfangen der Niederschläge über eine dichte Durchwurzelung im Oberboden wichtiger als der Tiefgang. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue Methode zur gleichzeitigen Vermessung des Wurzelsystems und seiner Wasseraufnahme entwickelt. Diese nutzt chemische Bilder im nahen Infrarot die durch unterschiedliche optische Eigenschaften Informationen über Bodenwasser und Wurzelzusammensetzung liefern. Im Rahmen des internationalen Trends zu neuen bildgebenden Verfahren für die Pflanzenzüchtung (Phänotypisierung) war die im Projekt entwickelte Methode ein besonders zukunftsweisendes Ergebnis.