Die weltweite Weizenproduktion kann verdoppelt werden
Feinabstimmung ihrer Genome würde regionalen Weizensorten helfen, die wachsende Bevölkerung zu ernähren
Eine erstmalige Analyse des ungenutzten genetischen Potenzials von Weizen zeigt, dass die weltweiten Erträge nur halb so hoch sind wie möglich.
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Das internationale Expertenteam unter der Leitung von Rothamsted Research im Vereinigten Königreich ist der Ansicht, dass diese "genetische Ertragslücke" durch die Entwicklung von Weizensorten, die auf die jeweilige Region zugeschnitten sind, geschlossen werden könnte.
Dr. Mikhail Semenov und Dr. Nimai Senapati, die diese Studie gemeinsam geleitet haben, definieren das genetische Ertragspotenzial" einer Kulturpflanze als den höchsten Ertrag, der von einer idealisierten Sorte erzielt werden kann - mit anderen Worten, eine Pflanze mit einem optimalen Genom, das es ihr ermöglicht, Wasser, Sonnenlicht und Nährstoffe effizienter als jede andere aufzunehmen.
Dr. Semenov sagte: "Die heutigen Weizensorten liegen im Durchschnitt nur auf halbem Weg zu den Erträgen, die sie angesichts der Diskrepanzen zwischen ihrer Genetik und den lokalen Anbaubedingungen für Weizen erzielen könnten.
"Die weltweite Weizenproduktion könnte durch die genetische Verbesserung lokaler Weizensorten verdoppelt werden, ohne die weltweite Weizenanbaufläche zu vergrößern.
Unter Verwendung vorhandener Daten über den Beitrag verschiedener Gene zu einzelnen Pflanzenmerkmalen wie Größe, Form, Stoffwechsel und Wachstum führten die Forscher Millionen von Computersimulationen durch, um "perfekte" Weizenpflanzen zu entwerfen, die auf ihre lokale Umgebung zugeschnitten sind.
Beim Vergleich mit der Leistung lokal angepasster Sorten stellten sie in allen Fällen fest, dass die aktuellen Weizensorten in Bezug auf den Kornertrag unterdurchschnittlich abschneiden, wobei eine offensichtliche "genetische Ertragslücke" zwischen Realität und Möglichkeit besteht.
Laut Dr. Senapati würde die Schließung der genetischen Ertragslücke einen großen Beitrag zur Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung leisten und den Druck zur Umwandlung wilder Lebensräume in Ackerland verringern.
Weizen ist die weltweit am häufigsten angebaute Nutzpflanze und mit einer weltweiten Ernte von etwa 750 Millionen Tonnen nach Reis die zweitwichtigste Nutzpflanze für den menschlichen Verzehr.
Seit der "Grünen Revolution" in den 1960er Jahren haben sich die Erträge im Durchschnitt verdreifacht - aber diese Studie deutet darauf hin, dass noch viel mehr zu erwarten ist.
Es ist das erste Mal, dass diese Art von Analyse weltweit durchgeführt wurde. Die in Nature Food veröffentlichte Studie untersuchte insgesamt 53 Weizenanbauregionen in 33 Ländern und deckte alle weltweiten Weizenanbaugebiete ab.
Mit Hilfe eines hochmodernen Weizenmodells namens Sirius berechnete das Team zunächst den potenziellen Ertrag von insgesamt 28 gängigen Weizensorten, die an diesen Standorten angebaut werden, wobei für jede Sorte die bestmöglichen Anbaubedingungen angenommen wurden.
Dies ergab Ernten von weniger als vier Tonnen in Australien und Kasachstan - verglichen mit 14 Tonnen Weizen pro Hektar in Neuseeland.
Als Nächstes entwarfen sie im Rahmen ihres Modells "idealisierte" lokale Sorten, die mehrere Pflanzeneigenschaften optimierten, die zum Ertrag beitragen und deren zugrundeliegende Genetik es den Pflanzenzüchtern ermöglichen wird, sie zu verbessern.
Die Simulationen basierten auf umfangreichen Daten über die natürliche genetische Variation, die den Merkmalen zugrunde liegt. Dazu gehörten die Toleranz und die Reaktion auf Trockenheit und Hitze, die Größe und Ausrichtung der oberen Blätter, die das Licht einfangen, und der Zeitpunkt wichtiger Ereignisse im Lebenszyklus.
Die Ergebnisse zeigten, dass durch die Optimierung dieser Schlüsselmerkmale die genetischen Ertragslücken in den verschiedenen Ländern zwischen 30 und 70 % liegen könnten, wobei die durchschnittliche genetische Ertragslücke weltweit bei 51 % liegt. Daher könnte die weltweite Weizenproduktion verdoppelt werden, wenn diese genetische Ertragslücke genutzt würde, um die weltweite Ernährungssicherheit auf nachhaltige Weise zu erreichen.
"Es überrascht nicht, dass die Länder mit den niedrigsten Erträgen am meisten von der Schließung ihrer genetischen Ertragslücken profitieren könnten", sagte Dr. Senapati.
"Aber auch Verbesserungen in den Ländern mit einer mittleren genetischen Ertragslücke von 40 bis 50 %, die aber einen großen Anteil an der weltweiten Weizenerntefläche haben - wie die führenden Produzenten Indien, Russland, China, USA, Kanada und Pakistan - würden sich aufgrund der größeren Weizenanbauflächen erheblich auf die weltweite Weizenproduktion auswirken.
Vor dieser Studie war das Ausmaß dieser genetischen Ertragslücken auf Länder- und globaler Ebene unbekannt.
Das Konzept der genetischen Ertragslücke steht im Gegensatz zu dem schon länger bekannten Konzept der traditionellen Ertragslücke, die auf eine suboptimale Bewirtschaftung zurückzuführen ist, bei der die Ernten aufgrund von Faktoren wie Schädlingsbefall oder Krankheiten, Nährstoffmangel oder Aussaat oder Ernte zum falschen Zeitpunkt geringer ausfallen als im besten Fall.
"Unsere Analyse deutet darauf hin, dass solche genetischen Ertragslücken aufgrund suboptimaler genetischer Anpassung relativ gesehen genauso groß sein könnten wie die traditionellen Ertragslücken aufgrund unvollkommener Pflanzen- und Bodenbewirtschaftung", sagte Dr. Semenov.
"Weizen wurde erstmals vor etwa 11.000 Jahren domestiziert, aber trotz dieser Tatsache - und ganz zu schweigen von der Sequenzierung seines gesamten Genoms im Jahr 2018 - ist die Pflanze noch weit von ihrer 'genetischen Bestform' entfernt", fügte er hinzu.
An der Studie waren auch führende Weizenexperten aus Australien, Dänemark, Frankreich, Deutschland, den Niederlanden und Mexiko beteiligt.
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