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Pflanzenzucht: Der winzige Unterschied

Uhr | Aktualisiert 03.12.2012 08:52 Uhr

Benjamin Kilian auf einem Versuchsbeet des IPK Gatersleben. Jedes Getreidepflänzchen ist mit einem Schild markiert. (FOTO: ROLAND SCHNEE)

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Wie wurde die Wintergerste zur Sommergerste? Forscher entdecken, warum das Getreide vor Tausenden Jahren erfolgreich nach Europa einwanderte.
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Gatersleben/MZ. 

Es ist nur ein einzelner Buchstabe im Genom der Gerste, der Wintergerste und Sommergerste voneinander unterscheidet. Nur eines der DNS-Basenpaare, aus denen sich das Erbgut zusammensetzt, ist bei der Sommergerste ein anderes als bei der Wintergerste. Aber dieser winzige Unterschied hat dazu geführt, dass die Getreideart sich vom sogenannten fruchtbaren Halbmond, einem niederschlagreichen Winterregengebiet im Norden der arabischen Halbinsel, bis hinauf nach Schottland ausbreiten konnte. Den genetischen Auslöser für die Unterschiede in Winter- und Sommergerste haben Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben (IPK) gemeinsam mit Kollegen aus Schottland, Italien und Schweden gefunden. Die Ergebnisse wurden jüngst in der Online-Ausgabe des Journals "Nature Genetics" veröffentlicht.

Doch wie wurde die Winter- zur Sommergerste? "Die Wildgersten sind Wintergersten. Sie sind im fruchtbaren Halbmond hervorragend an die dortigen Umweltbedingungen angepasst", sagt Benjamin Kilian, Wissenschaftler am IPK Gatersleben, der die Forschungsarbeit auf deutscher Seite geleitet hat. Ab dem Herbst, wenn Regen einsetzt, beginnen die Gerstenkörner zu keimen. Der anschließende Winter beschert der Pflanze einen notwendigen Kältereiz. Dieser löst ein notwendiges Signal im Erbgut aus, das das Blühen der Gerste ermöglicht. Im Frühling wächst die Pflanze weiter. Die Reife der Körner muss vergleichsweise schnell gehen und vor dem heißen trockenen Sommer im fruchtbaren Halbmond abgeschlossen sein. Sind die Körner reif und in den Boden gelangt, keimen sie nicht sofort, sondern halten eine Samenruhe, bis es im Herbst wieder regnet. "Aus der Wildgerste sind mit Beginn des Ackerbaus vor rund 10 000 Jahren domestizierte Formen entstanden, die den gleichen Lebenszyklus hatten", sagt Kilian.

Mit der Wanderung von Bauern und Händlern aus dem fruchtbaren Halbmond nach Europa gelangten domestizierte Gerstensorten in nördlichere Gebiete. Dort aber fand das Getreide ganz neue Umweltbedingungen vor: vor allem schneereichere und kältere Winter, aber auch andere Tageslängen. "In Europa musste die Gerste nach dem Winter ausgesät werden, den die Gerstenpflänzchen oft nicht überstanden. Das Getreide hatte dann weniger Zeit, um zu reifen, konnte dafür aber längere Tageszeiten ausnutzen, um voll ausreifen zu können", sagt Kilian. Dass diese Anpassung an andere Wetterbedingungen im Laufe der Evolution gelang, zeigt, wie anpassungsfähig die Gerste ist.

Die Fähigkeit, sich den Umweltbedingungen nördlicher Breiten anzupassen, entwickelte sich aber nicht erst mit der "Wanderung" der Gerste nach Norden. Im Genom der Wildgerstensorten und damit auch in dem der domestizierten Sorten, waren die Voraussetzungen zur Entwicklung von Sommergerstensorten bereits angelegt. "Die Fähigkeit der Sommergerste, auch ohne Kältereiz zu blühen und längere Tageszeiten auszunutzen, ist als eine von zwei möglichen Ausprägungen eines bestimmten Gens der Gerste in allen Gerstensorten vorhanden", erklärt Kilian. Im Einzelnen geht es um zwei Aminosäuren, die den Unterschied machen: In der Wintergerste wird ein bestimmter Genabschnitt in Prolin übersetzt, in Sommergerste in Alanin. Durch natürliche Selektion setzte sich bei der Richtung Norden mitgebrachten Gerste der Sommertyp durch.

Bei der Suche nach dem genetischen Unterschied zwischen Winter- und Sommergerste wurden Gene aus verschiedenen Gerstensorten mit modernen genetischen Untersuchungsverfahren verglichen. Aber nicht nur der Blick auf molekularbiologische Details fasziniert Kilian an seiner Arbeit. "Für mich ist diese Forschung so spannend, weil hier neben Biologie und Genetik viele weitere Themengebiete eine Rolle spielen: Geografie, Geologie, Archäobotanik und die Menschheitsgeschichte. Schließlich hat sich die Lebensweise der Menschen mit der Domestizierung von Getreide stark geändert, und die menschliche Gesellschaft beeinflusst", sagt Kilian, der zur Domestizierung des Einkorn-Weizens promoviert hat.

Nicht zuletzt aber wird die Erforschung von Mechanismen, die es Nutzpflanzen ermöglichen, sich verschiedenen Umweltbedingungen anzupassen, in Zeiten des Klimawandels immer wichtiger. "Unsere Ergebnisse sind entscheidend für das Verständnis der Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an neue Umweltbedingungen", sagt Kilian. Die genetischen Voraussetzungen der Anpassung zu erforschen, ist notwendig, um Getreidesorten zu züchten, die trotz Klimawandels bestehen oder eine Ausweitung der Anbauflächen auf weniger fruchtbare Gebiete der Erde.

Notwendig sei dazu auch der Erhalt der Wildgerstensorten, sagt Kilian. Denn deren genetische Ressourcen umfassen zahlreiche Eigenschaften, die einmal wichtig werden könnten, um Nutzpflanzen fit für die Zukunft zu machen. Das IPK in Gatersleben pflegt eine umfangreiche Samenbank. "Es ist aber unerlässlich, Wildformen auch in ihren natürlichen Lebensräumen zu erhalten. Denn dort findet eine andere natürliche Selektion statt. Die Evolution verläuft also anders als in der Sammlung des IPK", erklärt Kilian.