Kleine Unterschiede im Erbgut machen Pflanzen teamfähiger

Artenreiche Gemeinschaften von Tieren und Pflanzen funktionieren in der Regel besser als Monokulturen. Doch die Mechanismen, die dafür verantwortlich sind, stellen die Wissenschaft bis heute vor ein Rätsel. Biologen der Universität Zürich ist es nun gelungen, die genetische Ursache solcher Effekte zu identifizieren. Dies kann helfen, den Ertrag von Nutzpflanzen zu verbessern.

Gewächshaus
Gewächshaus
Genregion verbessert Teamfähigkeit: Systematische Kreuzungen von Ackerschmalwand-Sorten in einem Gewächshaus der UZH. (Bild: UZH)

Der weltweite dramatische Verlust an biologischer Vielfalt ist eines der grössten Probleme unserer Zeit – nicht zuletzt, weil die Biodiversität auch dem Menschen zugute kommt, etwa bei der Reinigung von Wasser oder der Produktion von Biomasse und Nahrungsmitteln. Dass vielfältige Gemeinschaften von Lebewesen hierfür besser funktionieren als Monokulturen wurde bereits in zahlreichen Experimenten nachgewiesen. «In Mischungen gehen unterschiedliche Pflanzen eine Art Arbeitsteilung ein, die zu einer höheren Effizienz und einem besseren Funktionieren der Gemeinschaft als Ganzem führt», erläutert Pascal Niklaus vom Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften der Universität Zürich.

Trotzdem basiert die moderne Landwirtschaft hauptsächlich auf Monokulturen, denn einheitliche Pflanzen erleichtern den Anbau und die Verarbeitung zu Nahrungsmitteln. Das Potential von biologisch vielfältigen Pflanzengemeinschaften bleibt hingegen meist ungenutzt – auch weil die dahinter stehenden Mechanismen nicht bekannt sind. «Welche konkreten Eigenschaften Pflanzen zu guten Mitspielern in solchen gemischten Teams machen, ist bis heute trotz intensiver Forschung weitgehend ungeklärt», sagt Samuel Wüst, Hauptautor der Studie.

Pflanzen wachsen besser in gemischten Teams

Die beiden Forscher sind dieser Frage nun mit einem neuen Verfahren nachgegangen, das moderne genetische Analysen und ökologische Methoden miteinander kombiniert. Als Versuchsobjekt diente die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), ein kleiner Kreuzblütler, dessen Erbgut gut dokumentiert ist. Die Forscher verwendeten systematische Kreuzungen von verschiedenen Sorten dieses Krautes und erhielten so eine grosse Anzahl genetischer Varianten. Diese Kreuzungen wurden in unterschiedlichen Kombinationen in Töpfe ausgesät und über mehrere Wochen gemeinsam aufgezogen. Durch Wiegen der dabei entstandenen Biomasse liess sich das Wachstum dieser Pflanzenmischungen dann miteinander vergleichen. Dabei zeigte sich, dass Töpfe mit genetisch unterschiedlichen Individuen im Mittel bessere Erträge lieferten als Töpfe, in denen genetisch einheitliche Pflanzen wuchsen.

Minimale genetische Unterschiede steigern den Ertrag

Mit Hilfe statistischer Analysen setzten die Forscher danach die erhaltenen Erträge in Beziehung zum Erbgut der jeweiligen Pflanzen. Eine solche genetische Kartierung ermöglichte, diejenigen Genregionen zu identifizieren, welche die Teamfähigkeit der Ackerschmalwand positiv beeinflussten. Die Auswertung ergab, dass bereits einzelne kleinste genetische Unterschiede ausreichten, um die Pflanzen zu effizienten gemischten Teams zu machen.

«Es hat uns sehr überrascht, dass solche komplexen und bisher schlecht verstandenen Eigenschaften von Pflanzen wie deren Teamfähigkeit eine solch einfache genetische Grundlage haben», sagt Samuel Wüst. Er glaubt, dass sich mit Hilfe dieser Methode in Zukunft gezielt Nutzpflanzen züchten lassen, die gute Teamplayer sind und so bessere Erträge liefern. «Unsere Einsicht eröffnet somit ganz neue Perspektiven für die Landwirtschaft», so Wüst.

Literatur:

Samuel E. Wuest & Pascal A. Niklaus. A plant biodiversity effect resolved to a single chromosomal region. Nature Ecology & Evolution. November 5, 2018. DOI: 10.1038/s41559-018-0708-y