Auf der Suche nach der Super-Gerste

07.08.2014 von Corinna Bertz in Forschung, Wissenschaft
Forschung ist bekanntlich ein weites Feld. Doch das Feld, auf dem Prof. Klaus Pillen seine Forschung an der Gerste anstellt, ist klein, sehr klein sogar, nur ein paar 100 Quadratmeter groß. Umso größer sind dafür die Neuigkeiten. Denn dem Agrarwissenschaftler von der Martin-Luther-Universität ist es gelungen, sich erfolgreich bei der Ausschreibung innerhalb des europäischen Koordinierungsprogramms ERA-CAPS (European Research Area – Coordinating Action in Plant Science) durchzusetzen. Mit anderen Worten: Seit Juli ist der 53-Jährige Koordinator des Forschungs-Verbund-Projekts „BARLEY-NAM“, das die Europäische Union bis 2017 mit rund anderthalb Millionen Euro fördert. Die MLU kooperiert dabei mit fünf Projektpartnern, darunter aus Israel und Schottland.
Professor Klaus Pillen erforscht Gerste.
Professor Klaus Pillen erforscht Gerste. (Foto: Michael Deutsch)

Ernährungssicherheit für künftige Generationen

Doch worum geht es im Projekt? Weit gefasst um das globale Problem, die Ernährungssicherheit für künftige Generationen zu gewährleisten. Für den Ackerbau des 21. Jahrhunderts hieße das, schon heute neue genetische Ergebnisse aus dem Bereich der Pflanzenzüchtung abzuleiten, um künftig widerstandsfähigere, umweltresistentere und leistungsfähigere Pflanzen anzubauen. „Diese versprechen eine höhere Ertragssicherheit und bessere Qualitäten und besitzen zudem durch die Einkreuzung von Genen der verwandten Wildgerste eine höhere Biodiversität“, erklärt der Lehrstuhlinhaber für Pflanzenzüchtung der Uni Halle.

Doch warum hat man sich der Gerste und nicht dem viel bekannteren Weizen verschrieben? „Gerste wird oft unterschätzt, dabei ist sie Futterquelle Nummer eins für das Nutzvieh“, sagt Pillen. „Für mich als Genetiker hat die Gerste aber noch einen ganz anderen Vorteil. Ihr genetisches System ist einfacher.“ Während es beim Weizen eine Kombination von drei unabhängigen Chromosomensätzen in einer Zelle gibt, besitze die Gerste nur einen Chromosomensatz. „Eine Funktionsuntersuchung von einzelnen Genen ist im Weizen deshalb wesentlich komplizierter als bei der Gerste. Also gehen wir den Weg des geringeren Widerstandes“, so der Wissenschaftler.

Kreuzung von Kulturgerste mit Wildgerste

Und dieser Weg, der wissenschaftlich kein leichter ist, wird schon länger beschritten. Bereits im vorangegangen Projekt „EXBARDIV: Genomics‐Assisted Analysis and Exploitation of Barley Diversity“ wurden Gersten immer wieder gekreuzt. Allerdings – und das ist nun die Besonderheit – immer Kulturgersten mit Wildgersten. „Normalerweise“, erklärt Pillen, „würde man zwei Kulturgersten kreuzen, um noch bessere Pflanzen zu erzeugen. Wir gehen zurück zur Basis und nutzen die größere Variabilität, die in der Wildgerste schlummert“, so der Agrarwissenschaftler.

Denn die Wildgerste, die sich praktisch über Millionen Jahre an widrige Umweltbedingungen angepasst hat, ist ein idealer Kandidat. Die wilden Vorfahren verfügen noch heute über einen reichhaltigen Genpool. Solche Gersten bieten sich hervorragend an, um jene Gene zu identifizieren, die für viele positive Eigenschaften zuständig sind. Das können etwa Gene sein, die für den Abwehrmechanismus gegen Krankheiten oder auch für den Proteingehalt der Pflanze zuständig sind.

Genetisches Material der Gerste aus Halle ist weltweit einmalig

In punkto Genetik haben die Hallenser über die Jahre schon viele Informationen über die Gerste gesammelt. Das ist ein extrem langwieriger und arbeitsintensiver Prozess, betont der Professor. Von 2007 bis 2011 wurden die Forschungen in Halle vorangebracht und der Antrag für das Projekt „BARLEY-NAM“ gestellt. Insgesamt 100 Anträge gingen ein, nur 14 wurden genehmigt – auch dass der Hallenser. Kein Wunder. „Unser genetisches Pflanzen-Material ist wissenschaftlich so interessant, ja weltweit einmalig, dass das Projekt gefördert wurde“, betont Pillen, der mit seiner Arbeitsgruppe vor großen wissenschaftlichen Herausforderungen steht.

Auf der Suche nach der Supergerste wird in vier Richtungen gefahndet. Die erste Untersuchung beschränkt sich auf den Ertrag und Ertragskomponenten. „Dabei geht es um die Produktivität der Gerste. Korndicke und Kornlänge, aber auch die Zahl der Ähren pro Fläche, wären solch ein Kriterium“, beschreibt Professor Pillen.

Bei der zweiten Komponente geht es um die Qualität, etwa darum, welche Pflanze den besten Proteingehalt besitzt. Gerade bei der Braugerste spielt auch der Malzgehalt eine wichtige Rolle. Die dritte Untersuchung gilt den Resistenzen gegen Krankheiten. „Das ist gerade im Hinblick auf Nachhaltigkeit ein sehr wichtiges Merkmal. Wir wollen erreichen, dass wir mit weniger Spritzmitteln im Feld auskommen, weil die Pflanzen mehr Resistenz mitbringen. Gerade die Wildgersten, mit denen wir kreuzen, sind dafür bekannt, dass sie verschiedene Resistenz-Gene tragen – wie zum Beispiel gegen Mehltau.“

Mit weniger Stickstoff mehr Ertrag

Auf dem Versuchsfeld wird per Hand geerntet.
Auf dem Versuchsfeld wird per Hand geerntet.
(Foto: Michael Deutsch)

Der vierte und letzte Bereich sei dann noch einmal der Nachhaltigkeit geschuldet. Hier dreht sich alles um die Nährstoff-Effizienz. Dabei werden die Pflanzen hinsichtlich verschiedener Stickstoff-Anbaubedingungen beobachtet. Üblicherweise wird in der Landwirtschaft relativ spendabel mit Stickstoff als Dünger umgegangen. „Ganz klar, weil der Ertrag deutlich davon abhängt. Wir versuchen deshalb Gene zu finden, die mit weniger Stickstoff die volle Leistung erbringen. Oder anders herum: Die bei gleicher Stickstoffdüngung eine höhere Leistung erreichen.“ Ähnliche Untersuchung laufen auch mit dem Wasser als Wachstumsgrundlage. In Kooperationen mit wissenschaftlichen Partnern in Australien, Saudi-Arabien und Syrien soll die Trockenstress- und Salzstress-Toleranz der Gerste erhöht werden.

Obwohl das Projekt „BARLEY-NAM“ erst vor wenigen Tagen gestartet ist, ist schon die Ernte in vollem Gange. Natürlich kommt kein Mähdrescher zum Einsatz. Die Doppelreihen mit gekreuzten Gersten werden Step by Step per Hand geerntet. Ca. 1400 Geschwisterlinien stehen auf dem Feld, die nach Äußerlichkeiten bewertet und später im Labor stofflich ausgewertet werden. „Entsprechende DNA-Analysen machen wir in Kooperation mit dem Startup Unternehmen TraitGenetics GmbH und mit dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, die beide in Gatersleben, Sachsen-Anhalt, ansässig sind.“

Projekt ist am „WissenschaftsCampus Halle – Pflanzenbasierte Bioökonomie“ angesiedelt.

Kooperation ist für Professor Klaus Pillen das entscheidende Schlagwort. Denn auch sein Projekt ist am „WissenschaftsCampus Halle – Pflanzenbasierte Bioökonomie“ angesiedelt. Damit erreiche man, außeruniversitäre Einrichtungen besser mit der Universität zu verzahnen, sowohl in der Lehre als auch in der Forschung. Für die gemeinsame Forschung sei das „ERA-CAPS“-Projekt wiederum ein gutes Beispiel. „Hier arbeiten zwei Partner aus dem Wissenschaftscampus, nämlich das Julius-Kühn-Institut und die MLU zusammen, um im speziellen Fall, die Nutzung der Biodiversität bei Gerste voranzubringen“, so Pillen. Innerhalb der ERA-CAPS-Ausschreibungen gebe es, welch Überraschung, noch zwei weitere Projekte, die vom hiesigen WissenschaftsCampus Halle unterstützt werden.

Das eine Projekt ist in Gatersleben angesiedelt und beschäftigt sich mit der Nutzung von quantitativer Resistenz der Gerste und des Weizens. Das andere läuft am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle und befasst sich mit hormoneller Regulation des Pflanzenwachstums. „Das ist insofern außergewöhnlich, da von den 14 Projekten, die alle mit über einer Million Euro finanziert werden, alleine drei Verbundprojekte von Sachsen-Anhalt aus koordiniert werden. Das zeigt, wie extrem stark der „WissenschaftsCampus“ im Bereich der Pflanzenwissenschaften aufgestellt ist“, so Professor Pillen. Michael Deutsch

Mehr Infos unter: www.sciencecampus-halle.de

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