Eine Forschungsgruppe von Tian Feng, Professor an der Fakultät für Agrarwissenschaften der China Agricultural University, konnte zum weltweit ersten Mal den Teil des Genoms von Mais identifizieren und isolieren, der den Ernteindex bestimmt. Außerdem konnten die Forscher die evolutionäre Entwicklung des Index-Werts rekonstruieren. Dadurch können sie wichtige genetische Informationen und ein theoretisches Fundament für die Züchtung neuer Maissorten bereitstellen, die mehr Ertrag bei weniger Ressourcenverbrauch bringen und zudem umweltschonender sind. Die Ergebnisse der Studie erschienen am 21. Juli online im Fachjournal „Cell“.
„Entscheidend für hohe Ernteerträge ist nicht nur die Größe der gesamten Pflanze, sondern mehr noch, wie viel man von ihr ernten kann“, erklärt Tian Feng. „Der Ernteindex gibt sowohl das Verhältnis von gesamter Biomasse zum Kornertrag einer Pflanze an als auch das zwischen der Produktion und Speicherung von Nährstoffen.“
Die Wissenschaftler entdeckten das zentrale Gen-Modul HI1-BRR1, das die Verteilung von Kohlenstoff und Stickstoff zwischen verschiedenen Pflanzenorganen steuert: den Nährstoffe produzierenden Organen wie Blättern und den Nährstoffe speichernden Organen wie Körnern. Das Modul fungiert in der Verteilung von Kohlenstoff und Stickstoff dabei wie ein Ventil.
Das Forschungsteam identifizierte den Verstärker (Enhancer) HI1, der durch die Züchtung von Mais selektiert wurde, und fand heraus, dass HI1 durch die Aktivierung des funktionellen Gens BRR1 Kohlenstoff und Stickstoff innerhalb der Pflanze neu verteilen kann. So werden diese Stoffe mehr zu den Körnern als Nährstoffe speichernden Organen und weniger zu den Blättern als Nährstoffe produzierenden Organen transportiert. Auf diese Weise werden Ernteindex, Biomasse und Kornertrag des Maises gleichzeitig und koordiniert gesteigert. Feldversuche an verschiedenen Orten wie Tieling (Provinz Liaoning), Sanya (Provinz Hainan) und Beijing belegen, dass eine stärkere Aktivität des BRR1-Gens den Ernteertrag stabil um 10 bis 16 Prozent steigern kann.
„Bisher dachte man, der Mensch habe vor allem durch äußere Veränderungen an der Wuchsform oder Kolbengröße die Maispflanzen ertragreicher gemacht“, so Tian Feng. Diese Studie habe jedoch zum ersten Mal gezeigt, dass die Kultivierung von Mais nicht nur dessen äußere Gestalt verändert, sondern auch das interne Zusammenspiel zwischen den Nährstoff produzierenden und den Nährstoff speichernden Organen der Pflanze neu geformt habe. Diese Veränderungen des inneren Nährstoffhaushalts seien für hohe Erträge ebenso wichtig wie die äußeren Veränderungen. Erst die Kombination aus Verbesserung der äußeren Form und inneren Funktionen konnte den Ertrag bei der Ernte so stark steigern. In Zukunft könnten durch die Kombination verschiedener zentraler Gen-Module drei Ziele gleichzeitig erreicht werden: eine optimierte Wuchsform, eine effizientere Nutzung des Sonnenlichts bei dichter Pflanzung und eine veränderte Nährstoffverteilung zwischen Blättern und Körnern. Dies würde die Entwicklung maßgeschneiderter Pflanzensorten durch gezielte Kombination von Genen noch schneller voranbringen.
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