Der Anbau von Mais hat eine lange Tradition. Vor 9.000 Jahren wurden in Südmexiko aus den Nachkommen der Ursorte Teosinte die schmackhaftesten und ertragreichsten Maispflanzen ausgewählt und für die Züchtung genutzt. Im Laufe der Jahrhunderte hat sich die Pflanze den unterschiedlichsten Standorten angepasst und nach und nach nicht nur das Aussehen der Kolben verändert. Die moderne Maispflanze liefert auch mehr Ertrag. Unklar war bislang, wie sich die Domestikation der heute so wichtigsten Nahrungspflanze auf das Wurzelsystem ausgewirkt hat. Eine internationale Studie unter Beteiligung von Forschenden des Instituts für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn schließt diese Wissenslücke.

Wurzelsystem von 9.000 Mais- und 170 Teosinte-Sorten untersucht

Um die Entwicklung der Wurzeln zu untersuchen, wurden in den vergangenen acht Jahren rund 9.000 Mais- und 170 Teosinte-Sorten genauer untersucht. Dafür wurden die Samen auf ein braunes Spezialpapier gelegt, gerollt und aufrecht in schmale Bechergläser gestellt. „Etwa 14 Tage nach der Keimung entrollen wir das Papier und können dann ohne störende Erdanhaftungen das Wachstum der frühen Wurzeln nachvollziehen“, berichtet INRES-Forscher Frank Hochholdinger. Daneben wurde auch mithilfe der Magnetresonanztomographie, die vor allem in der Medizin zum Einsatz kommt, das Wurzelwachstum der Maispflanzen im Boden untersucht. Hier arbeitete das Bonner Team mit einer Arbeitsgruppe vom Forschungszentrum Jülich zusammen.

Die Untersuchungen machten deutlich, wie stark sich über die Jahrhunderte die Wurzeln der Maispflanze durch die Domestikation verändert haben. „Bei Mais finden wir kurz nach der Keimung oft sogenannte Seminalwurzeln – bei manchen Sorten zehn oder mehr. Bei Teosinte ist das nicht der Fall“, berichtet Peng Yu, Emmy-Noether-Gruppenleiter am INRES, der inzwischen einen Ruf auf eine Professur an die TU München angenommen hat.

Maissorten in trockenen Regionen haben mehr Seitenwurzeln

Seminalwurzeln können bei optimalen Bedingungen dafür sorgen, dass der Keimling sehr schnell große Mengen von Nährstoffen aus der Erde zieht. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Nature Genetics“ schreibt, geht dieser Prozess allerdings zulasten der sogenannten Seitenwurzeln. Die Bildung dieses Wurzeltyps wird beeinträchtigt und die Wasseraufnahme erschwert. Denn die Seitenwurzeln vergrößern die Wurzeloberfläche der Pflanze und so auch die Wasseraufnahme. Nach Angaben der Forschenden war die Zahl der Seminalwurzeln je nach Sorte sehr unterschiedlich: Sorten, die an trockene Gebiete angepasst sind, bilden demnach deutlich weniger Seminal- und dafür mehr Seitenwurzeln. Bei der Weiterentwicklung dieser Sorten hätten die Züchter in der Vergangenheit unbewusst auf diesen Wurzelaufbau hin selektiert, heißt es.

Gen für trockentolerante Arten identifiziert

Im Rahmen der Studie untersuchten die Forschenden auch, welche Erbanlagen für die Bildung der Seminalwurzeln verantwortlich sind. Dabei konnten sie mehr als 160 Kandidatengene identifizieren. Das Gen mit der Bezeichnung ZmHb77 wurde genauer untersucht. „Dabei haben wir festgestellt, dass Pflanzen mit diesem Gen mehr Seminal- und zugleich weniger Lateralwurzeln bildeten“, so Hochholdinger. Wurde dieses Gen gezielt ausgeschaltet, änderte sich der Studie zufolge der Wurzelaufbau und die Maispflanze kam mit Dürrezeiten wesentlich besser zurecht. „Das entsprechende Gen ist daher für die Herstellung trockentoleranter Arten interessant. Diese werden in Anbetracht des Klimawandels immer wichtiger, wenn wir nicht in Zukunft verstärkt unter Ernteausfällen leiden wollen“, betont Hochholdinger.

Die Studie wurde unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Daran beteiligt waren Forschende aus 20 Arbeitsgruppen aus Deutschland, China, den USA, Spanien, Italien und Belgien.

bb