Chinesische Wissenschaftler entdecken alkaliresistentes Gen! Eine erhöhte Nahrungsmittelproduktion steht vor der Tür

Am frühen Morgen des 24. März 2023 veröffentlichte das Forschungsteam des Instituts für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit acht Institutionen, darunter dem Institut für Biophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Institut für Nordostgeographie und Agrarökologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der China Agricultural University, der Huazhong Agricultural University, der Ningxia University, der Yangzhou University und der Syngenta Group China, ein wichtiges Forschungsergebnis im renommierten Wissenschaftsjournal „Science“: die Entdeckung des wichtigen alkaliresistenten Gens AT1 und seines Wirkungsmechanismus. Feldversuche bestätigten, dass dieses Gen den Ertrag von Nutzpflanzen wie Sorghum, Reis, Hirse und Mais deutlich steigern kann.

Es handelt sich um eine praxistaugliche Studie mit Praxisbezug. Worum geht es in diesem Artikel genau? Wir erklären es Ihnen.

01. Salz-Alkali-Boden: eine große Bedrohung für die landwirtschaftliche Entwicklung meines Landes

Weites Land und reichlich Ressourcen – ich glaube, das ist ein Ausdruck, den viele Menschen kennen. Unser Mutterland mit einer Fläche von 9,6 Millionen Quadratkilometern hat das chinesische Volk über Tausende von Jahren genährt. Bis heute ist dieses Land die Überlebensgrundlage für 1,4 Milliarden Menschen.

Allerdings haben Sie sicher auch schon einmal ein anderes Sprichwort gehört: „China nutzt 7 % der weltweiten Ackerflächen, um 22 % der Weltbevölkerung zu ernähren.“ Dies ist ein weiteres Wunder, das unser Land vollbracht hat, aber auch eine Art Hilflosigkeit. Da die Ackerfläche in unserem Land so klein ist, dreht es sich bei den Dokumenten Nr. 1 unseres Landes in den letzten Jahren um die Landwirtschaft. Nahrung ist das Grundbedürfnis der Menschen. Die Landwirtschaft ist das Fundament der Volkswirtschaft und der Grundstein des Wohlstands.

Es gibt jedoch ein Problem, das eine ernsthafte Bedrohung für unsere Landwirtschaft darstellt: die Versalzung von Ackerland !

Ich weiß nicht, ob Sie jemals salzhaltiges Alkaliland gesehen haben, ein Stück gutes Land, das jedoch mit einer riesigen weißen Fläche bedeckt ist. Dabei handelt es sich nicht um Frost oder Schnee, sondern um die Anreicherung von Salz und Alkali. Auf einem solchen salzhaltigen und alkalischen Boden haben selbst diese hartnäckigen Unkräuter kaum zu wachsen, ganz zu schweigen von den Nutzpflanzen, und oft wird der Boden unfruchtbar.

Salz-Alkali-Land (Fotoquelle: FAO)

Salz-Alkali-Land ist ein allgemeiner Begriff für Salzland und alkalisches Land. Der von neutralen Natriumsalzen (wie Natriumchlorid und Natriumsulfat) betroffene Boden wird als salzhaltiger Boden bezeichnet, während der von alkalischen Natriumsalzen (wie Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat und Natriumsilikat) betroffene Boden als alkalischer Boden bezeichnet wird.

02. Wie entstehen salzhaltige und alkalische Böden?

Wie entsteht also salzhaltiger Alkaliboden? Der Kern liegt im Ungleichgewicht der Salzionen im Boden. Dieses Ungleichgewicht wird durch mehrere Faktoren verursacht. Bodenfeuchtigkeit ist eine wichtige Quelle für Salzionen. Ob Flüsse und Seen, Grundwasserbewässerung oder der Einsatz chemischer Düngemittel – sie alle bringen Salzionen mit sich. Übersteigt die Menge dieser Salzionen die Aufnahmekapazität der Pflanzen und können diese nicht durch andere Faktoren entfernt werden, reichern sich diese Ionen durch die Verdunstung des Wassers weiter im Boden an und führen schließlich zur Versalzung des Bodens.

Die Beziehung zwischen Wasser und der Bildung salzig-alkalischer Böden (Bildquelle: FAO)

Die Versalzung von Böden steht in engem Zusammenhang mit der Landwirtschaft und stellt daher eine direkte Bedrohung für die landwirtschaftliche Produktion meines Landes dar. So hat sich beispielsweise die salzhaltige und alkalische Landfläche der berühmten Schwarzerde, die zugleich die Kornkammer des Nordens ist und zahllose Chinesen ernährt hat, durch jahrelange kontinuierliche Bewirtschaftung schrittweise von 24.000 Quadratkilometern im Jahr 1950 auf 39.000 Quadratkilometer im Jahr 2016 vergrößert. Viele Ländereien sind zudem von leichter zu mittlerer bis schwerer Versalzung übergegangen.

Tatsächlich ist es nicht nur der Nordosten, wo sich von der Küste des Ostchinesischen Meeres bis zur nordwestlichen Grenze, vom heißen Hainan bis zur kalten Songnen-Ebene, salzhaltiges und alkalisches Land erstreckt. Zählt man die Bodenversauerung und die Schwarzerde-Degradation hinzu, beträgt die betroffene Ackerfläche 660 Millionen Mu. Um welchen Maßstab handelt es sich? Laut der dritten nationalen Landvermessung im Jahr 2022 beträgt die Ackerlandfläche meines Landes 1,918 Milliarden Mu, was bedeutet, dass ein Drittel der Ackerlandfläche von den „drei Problemen“ betroffen ist, die die Ernährungssicherheit meines Landes sowie die Volkswirtschaft und den Lebensunterhalt der Bevölkerung erheblich bedrohen werden.

Salz-Alkali-Land

Aus diesem Grund konzentrierte sich das Zentrale Dokument Nr. 1 von 2023, nachdem im Zentralen Dokument Nr. 1 von 2022 ein umfassender Nutzungs- und Umsetzungsplan für salzhaltige und alkalische Flächen vorgeschlagen worden war, weiterhin auf das Thema salzhaltige und alkalische Flächen. In diesem Jahr wurde insbesondere vorgeschlagen, „den Übergang vom Anbau hauptsächlich an salzhaltige und alkalische Böden angepasster Nutzpflanzen zur Züchtung salz- und alkalitoleranterer Pflanzen, die sich an salzhaltige und alkalische Böden anpassen, weiter voranzutreiben und Pilotprojekte für die umfassende Entwicklung und Nutzung salzhaltiger und alkalischer Böden und anderer Reserveressourcen an Ackerland durchzuführen.“

Und dies steht in engem Zusammenhang mit unserem heutigen Artikel, nämlich der Entwicklung salz- und alkalitoleranter Pflanzen.

03. Wie findet man Salz-Alkali-Toleranzgene in Pflanzen?

Das Leben verfügt immer über die größte Zähigkeit und Ausdauer und kann an unerwarteten Orten überleben.

Obwohl salzhaltiges Alkaliland für viele Nutzpflanzen eine Sackgasse darstellt, gibt es immer einige Ausnahmen. Dabei handelt es sich um die starke Stressresistenz von Pflanzen, also die Fähigkeit von Pflanzen, bestimmten widrigen Umgebungen standzuhalten, wie etwa Kälteresistenz, Trockenresistenz, Krankheits- und Schädlingsresistenz und natürlich Salz-Basen-Resistenz. Hinter den Kulissen sind es die Pflanzengene, die am Werk sind.

Wie findet man also Salz-Basen-Toleranzgene? Der heutige Science-Artikel liefert uns eine klassische Demonstration. Lassen Sie uns einen umfassenden Blick darauf werfen.

Schritt eins: Wählen Sie eine geeignete Pflanze aus.

Es gibt eine ganze Reihe salz- und alkalitoleranter Pflanzen, viele Pflanzen weisen jedoch eine geographische Verbreitungsspezifität auf, sodass ihre salz- und alkalitoleranten Mechanismen begrenzt sind. Mein Land hat ein riesiges Territorium und erstreckt sich über verschiedene Klimazonen, darunter tropische, subtropische, gemäßigte und kalte Zonen. Daher ist es entscheidend, als Forschungsobjekt eine Kulturpflanze zu finden, die weit verbreitet ist und eine große Variationsbreite aufweist.

In der traditionellen Forschung wird gerne die klassische Modellpflanze Arabidopsis thaliana verwendet. Diese Pflanze stammt jedoch nicht aus salzhaltigen Alkaliböden und weist daher bei der Untersuchung der Salz-Basen-Toleranz natürliche Mängel auf.

Nach umfangreichen Untersuchungen und Experimenten wählten die Wissenschaftler Sorghum , eine salz- und alkalitolerante Nutzpflanze, als Forschungsobjekt. Sorghum ist eine Nutzpflanze, die ursprünglich aus den kargen Gebieten Zentralafrikas stammt und sich über die ganze Welt verbreitet hat. Diese Fähigkeit, in mehreren Regionen und in Böden mit unterschiedlichem Salzgehalt zu überleben, reicht als Beweis dafür aus, dass die Pflanze über eine ausgeprägte Salz-Basen-Toleranz verfügt.

Sorghum (Bildquelle: Wikipedia)

Schritt 2: Geeignetes Forschungssystem.

Nachdem wir nun über die richtigen salz- und alkalitoleranten Pflanzen verfügen, besteht der nächste Schritt darin, ein geeignetes Forschungssystem zu entwickeln. Die Versalzung von Böden wird hauptsächlich durch Natriumcarbonat oder Natriumbicarbonat verursacht. Um die Bodenversalzung zu simulieren, werden in der traditionellen Forschung hauptsächlich diese beiden Laugen verwendet, um die Alkalität des Versuchssystems anzupassen. Dieser Anpassungsprozess ist jedoch anfällig für pH-Instabilitäten. Dies führt dazu, dass das experimentelle System instabil wird und die Wiederholungsschwierigkeit zunimmt.

Um ein stabiles und zuverlässiges Salz-Alkali-Boden-Experimentiersystem zu erreichen, hat das Forschungsteam viele Versuche unternommen und sich schließlich für ein gemischtes Alkalisystem (Natriumcarbonat: Natriumbicarbonat = 1:5) entschieden, das einen stabilen Ablauf des Experiments ermöglicht.

Nach der oben genannten Forschung besteht der nächste Schritt darin, die Salz-Basen-Toleranzgene von Sorghum zu erforschen.

Schritt 3: Assoziation, Analyse und Suche von Big Data des gesamten Genoms nach Salz-Basen-Toleranzgenen

Gene bestimmen Eigenschaften. Der Faktor hinter der Salz-Basen-Toleranz von Pflanzen sind die Gene. Um die Salz-Alkali-Toleranzgene von Sorghum zu finden, sammelten die Forscher zunächst viele salz-Alkali-tolerante Sorghum-Ressourcen. Es gab große Unterschiede in der Salz-Basen-Toleranz dieser Sorghumsorten.

Wachstum verschiedener Sorghum-Sorten in einem stabilen, im Labor konstruierten Salz-Alkali-System (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Anschließend ermittelten die Wissenschaftler mithilfe der Methode der Assoziationsanalyse des gesamten Genoms die genetischen Ressourcen verschiedener Sorghum-Sorten und führten anschließend eine Assoziationsanalyse zwischen den Merkmalen und dem gesamten Genom auf Grundlage ihrer salz- und alkalitoleranten Eigenschaften durch. Schließlich gelang es den Forschern, ein Schlüsselgen zu lokalisieren: AT1.

Signifikantes Signalgen AT1 durch genomweite Assoziationsanalyse gefunden (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Nachweis des AT1-Gens bestätigte zudem die wichtige Rolle von AT1 bei der Salz-Basen-Toleranz von Pflanzen. Bei Sorghum beispielsweise hängt das AT1-Gen offensichtlich mit der Salz- und Alkalitoleranz des Sorghums zusammen. Unter stark salzhaltigen und alkalischen Kulturbedingungen (75 mM Alkali) ist der Wachstumseffekt der Überexpression von AT1 (SbAT1-OE) signifikant schlechter als der der Kontrollgruppe (SbWT) und sogar schlechter als der der AT1-Knockout-Gruppe (SbAT1-KO).

Das AT1-Gen spielt eine wichtige Rolle bei der Salz-Alkali-Toleranz von Sorghum (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Darüber hinaus ist das AT1-Gen auch in vielen Gräsern konserviert und kann eine wirksame Rolle spielen, was von großer Bedeutung ist. Wissen Sie, Gräser sind bei uns eine wichtige Nutzpflanzenfamilie, und Mais, Reis und Hirse sind alles Gräser.

Das AT1-Gen ist in einer Vielzahl von Nutzpflanzen wirksam (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

04. Wie reagiert das AT1-Gen auf Salz- und Alkalibedrohungen?

Wie also reagiert dieses AT1-Gen auf Salz- und Alkalibedrohungen? Die Forscher untersuchten dieses Gen sowohl in Säugetier- als auch in Nutzpflanzenmodellen. Die Ergebnisse zeigten, dass das AT1-Gen hauptsächlich auf hohen Salz-Alkali-Stress reagiert, indem es die Phosphorylierung von Wasserkanalproteinen (Plasmamembran-intrinsisches Protein 2s (PIP2s)) reguliert.

Das AT1-Gen reagiert auf Salzstress durch PIP2s (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Darüber hinaus produzieren Pflanzen unter hohem Salzstress auch ROS (reaktive Sauerstoffspezies), die selbst schädlich für Pflanzen sind. Das AT1-Gen kann durch die Regulierung von PIPs auch den ROS-Efflux beeinflussen. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler den molekularen Mechanismus der hohen Salz- und Alkaliresistenz bei höheren Organismen aufgedeckt haben.

Der AT1-regulierte Salz-Alkali-Stress-Reaktionsmechanismus und die Nutzung von AT1 können den Ertrag verschiedener Nutzpflanzen auf salzhaltigen Alkaliböden verbessern

05. Feldversuche bestätigen die Wirksamkeit von AT1

Praxis ist das einzige Kriterium zur Prüfung der Wahrheit: Feldversuche beweisen die Wirksamkeit von AT1

Tatsächlich untersuchen Wissenschaftler den Mechanismus der Salz-Alkali-Toleranz seit vielen Jahren und haben zahlreiche Salz-Alkali-Toleranzgene gefunden. Bei der praktischen Umsetzung vieler Studien sind jedoch zahlreiche Probleme aufgetreten. Kann das von Wissenschaftlern dieses Mal entdeckte Salz-Alkali-Toleranzgen AT1 also in praktischen Anwendungen eine Rolle spielen?

Die Forscher beschlossen, die Wirkung dieses Gens im Feld zu testen.

Zunächst führte das Forschungsteam eine Salz-Alkali-Toleranzzüchtung an Sorghum durch und führte anschließend Feldversuche durch. Das diesmal ausgewählte salzhaltige und alkalische Land von Ningxia Pingluo hat einen pH-Wert von 8,5–9,1 und ist somit ein mäßig salzhaltiges und alkalisches Land.

Die Ergebnisse sind sehr ermutigend.

Durch die Verwendung des AT1-Gens kann der Ertrag an Sorghumkörnern um 20,1 % und die Biomasse der gesamten Pflanze (für Silage) um fast 30,5 % gesteigert werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass AT1 nicht nur vom Mechanismus her umsetzbar ist, sondern auch in der Praxis erhebliche Auswirkungen hat.

AT1-Gen-Knockout erhöht Sorghum-Ertrag auf salzhaltigen und alkalischen Böden (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Natürlich liegt die Bedeutung des AT1-Gens nicht nur in der Regulierung der Salz- und Alkalinitätstoleranz von Sorghum. Es handelt sich um ein Gen, das in vielen Nutzpflanzen konserviert ist, darunter auch in unseren wichtigsten Nahrungspflanzen Reis, Mais und Hirse.

Anschließend führten die Forscher weitere Feldversuche mit diesen Nutzpflanzen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem AT1-Gen veränderte Hirse ihren Ertrag auf dem salzhaltigen Alkaliland in Pingluo, Ningxia, um fast 19,5 % steigern konnte, was einer Steigerung um ein Fünftel entspricht. Auch die Überlebensrate von mit dem AT1-Gen modifiziertem Mais auf salzhaltigen und alkalischen Böden ist deutlich erhöht.

Wachstumsphänotypen von SbWT und SbAT1ko in salzhaltigem Alkaliboden (Salzgehalt 0,7 %, pH 8,5) im Kreis Pingluo, Provinz Ningxia im Jahr 2022 (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Darüber hinaus zeigte dieses Gen auch gute regionenübergreifende Effekte .

Im salzhaltigen Alkaligebiet Da'an in Jilin im Nordosten Chinas, mehr als 1.600 Kilometer von Pingluo, Ningxia entfernt, liegt der pH-Wert bei bis zu 9,17. Die Forscher pflanzten Reis, Hirse und Mais an, die mit dem AT1-Gen verändert worden waren. Infolgedessen stieg der jährliche Ertrag verschiedener Nutzpflanzen um etwa 24,1 % bis 27,8 %, also um ein Viertel.

(AT1/GS3-Knockout verbessert den Reisertrag in salzhaltigen-alkalischen Böden (Bildquelle: Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften))

Durch Feldversuche wurde die Leistungsfähigkeit des AT1-Gens vollständig nachgewiesen. Es kann Pflanzen direkt zu einem besseren Überleben auf salzhaltigen und alkalischen Böden und zu höheren Erträgen verhelfen.

06. Vorteile für die gegenwärtige und zukünftige Generation

Nahrung ist das wichtigste Bedürfnis der Menschen und die Ernährungsfrage betrifft die grundlegenden Interessen der gesamten Menschheit. Einem Bericht der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen zufolge sind derzeit 45 Länder weltweit auf Nahrungsmittelhilfe angewiesen. In sechs dieser Länder sind einige Menschen von extremer Nahrungsmittelknappheit betroffen und stehen kurz vor einer Hungersnot. Darüber hinaus sind Millionen Menschen von schwerem Hunger betroffen.

Salz-Alkali-Böden kommen häufig in landwirtschaftlichen Betrieben vor und stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Ernährungssicherheit dar. Statistiken der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen zufolge waren im Jahr 2015 weltweit mehr als eine Milliarde Hektar Land von Versalzungsproblemen betroffen, während es weltweit nur 1,5 Milliarden Hektar Ackerland gab. Wenn es uns gelingt, auch nur 20 % der salzhaltigen und alkalischen Böden zu erschließen, könnten wir die Nahrungsmittelproduktion weltweit um mindestens 250 Millionen Tonnen steigern. Dies wird die Nahrungsmittelkrise erheblich lindern und mehr Menschen vor dem Hunger bewahren.

Daher ist die Entwicklung salz- und alkalitoleranterer Nutzpflanzen von großer Bedeutung, um die globale Nahrungsmittelkrise zu lindern und mehr Leben zu retten.

Besonders hervorzuheben ist, dass das vom Forscherteam dieses Mal entdeckte AT1-Gen einen sehr großen Einfluss auf wichtige Graskulturen wie Reis, Mais und Hirse hat. Sie sollten wissen, dass Mais und Reis die wichtigsten und zweitgrößten Nutzpflanzen der Welt sind und die Hauptnahrungsquelle für die Menschen auf der ganzen Welt darstellen. Wenn diese gentechnisch veränderte Nutzpflanze also in großem Umfang gefördert werden kann, wird sie große Veränderungen in der Welt mit sich bringen.

Man kann sagen, dass die Vorteile der Gegenwart auch den kommenden Generationen zugute kommen werden!