Roggen gehört zu den Süßgräsern und überzeugt vor allem durch seine Frostfestigkeit und hohen Erträge, auch auf nährstoffarmen Böden oder bei Trockenstress. Damit könnte die Pflanze künftig eine wichtige Rolle bei der Ernährungssicherung spielen. Eine aktuelle Studie von Forschenden des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) liefert nun neue Erkenntnisse zur Fortpflanzung von Roggen. Darin wird aufgezeigt, wie stark Umweltbedingungen, insbesondere Nährstoffmangel, die Neukombination von Genen während der Reifeteilung, der sogenannten Meiose, beeinflussen.

Gen-Austausch von Roggen bei Umweltstress untersucht

Für die Untersuchung analysierte das Team mehr als 500 Roggenpflanzen, die sowohl unter normalen Bedingungen als auch unter Nährstoffstress auf dem traditionsreichen Versuchsfeld „Ewiger Roggenanbau“ wuchsen. Die Forschenden sammelten dafür Pollen und sequenzierten über 3.000 einzelne Spermienzellen. Dadurch konnten sie exakt bestimmen, wie viele sogenannte Crossover-Ereignisse – also Austauschprozesse zwischen den Chromosomen – bei jeder Pflanze stattfanden und wo sie auf dem Chromosom lagen. Zum ersten Mal wurde dieser Vorgang in so großem Umfang direkt in den Pollen untersucht, dem Ort, an dem die Neukombination tatsächlich abläuft.

Durchmischung der Gene bei Nährstoffmangel geringer

Die Studie ergab, dass sich die Gene der Pflanzen bei Nährstoffmangel deutlich weniger neu mischen als bei ausreichender Nährstoffversorgung. „Das kann man sich so vorstellen wie beim Kartenspielen: Wenn die Karten nur halbherzig gemischt werden, entstehen weniger neue Kombinationen“, erklärt Erstautorin Christina Wäsch von der MLU. Besonders empfindlich reagierten demnach alte Sorten und Wildformen, während moderne Zuchtsorten stabiler blieben. Für die Forschenden ist das ein Hinweis darauf, wie stark die genetische Vielfalt die Reaktion der Pflanzen auf Umweltveränderungen beeinflusst.

Impulse für die Pflanzenzüchtung

Zusätzlich identifizierte das Team zahlreiche genetische Regionen, die die Rekombinationsrate steuern. „Wir konnten in unserer Studie zeigen, dass die Rekombinationsrate nicht von einem Hauptschalter gesteuert wird, sondern von zahlreichen kleinen genetischen Regionen gleichzeitig“, erklärt Steven Dreissig vom IPK. Die Forschenden sind überzeugt, dass die Ergebnisse wichtige Impulse für die Pflanzenzüchtung liefern können. Wenn es gelingt, Rekombination gezielt zu beeinflussen, könnten schneller neue, widerstandsfähige Nutzpflanzen entwickelt werden.

bb