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Agrargenetik: Schnorchel-Gen schützt Reis vor Überflutungen

Überflutungsresistenter Reis
Zwei Gene erlauben einigen Reisvarianten, längeren Überschwemmungsperioden zu trotzen: Sie kurbeln bei steigendem Wasserspiegel das Sprosswachstum der Pflanze stark an und sorgen so dafür, dass die oberen Pflanzenteile stets an der frischen Luft bleiben. Die japanischen Entdecker um Motoyuki Ashikari von der Nagoya University tauften die Gene "SNORKEL" (SK, zu Deutsch: Schnorchel) [1].

Überflutungsresistenter Reis | Das Wachstum eine Reispflanze mit SNORKEL-Genen hält mit einem nach und nach erhöhten Wasserspiegel jeweils Schritt.
Die Forscher entdeckten SNORKEL1 und SNORKEL2 in Varianten der Reispflanze Oryza sativa, die zwar nicht sehr ertragreich sind, dafür aber auch gut in tieferen Gewässern in flutgefährdeten Regionen gedeihen. Die Pflanzen können mit bis zu 25 Zentimetern pro Tag sehr schnell in die Höhe wachsen und dadurch auf den ansteigenden Wasserspiegel bei Überflutungen reagieren.

Ashikari und Kollegen zeigten, dass der Wachstumsschub durch das Pflanzenhormon Ethylen ausgelöst wird: Das gasförmige Ethylen reichert sich in überfluteten Pflanzenteilen an, da es hier weniger gut aus dem Gewebe herausdiffundiert. An Ort und Stelle aktiviert Ethylen dann vermehrt SK1 und SK2. Sie produzieren Transkriptionsfaktoren und regulieren darüber offenbar verschiedene Gene, was über einen noch nicht genau aufgeklärten Mechanismus letztlich die Produktion des Phytohormons Giberellinsäure (GA) ankurbelt. GA war schon bekannt dafür, den Spross von Pflanzen schnell auswachsen zu lassen.

Hoch hinaus bei Hochwasser | Ein konserviertes Exemplar einer Reispflanze, die unter natürlichen Bedingungen im Überflutungsgebiet des thailändischen Reisforschungszentrums von Pra Nakorn Sri Ayutthaya gewachsen ist. Die Sorte gehört zu den Reisvarianten, die in Reaktion auf einen ansteigenden Wasserspiegel immer höher werden, um nicht überflutet zu werden. Typisch ist der lang ausgezogene Stängel.
Das Team baute die Schnorchel-Gene zudem erfolgreich in eine ertragreiche Reissorte ein, die sich zuvor nicht gegen Überflutung schützen konnte. Die genveränderten Pflanzen erwarben durch SK1 und SK2 die Fähigkeit, auf ein Untertauchen mit einem schnellen Wachstumsschub zu reagieren. Die Forscher hoffen nun, mit ähnlich genetisch veränderten Reisformen in Zukunft auch hohe Erträge in ungünstigen Überflutungsgebieten erzielen zu können.

Die beiden Schnorchel-Gene stammen ursprünglich wohl aus dem wilden Reisverwandten O. rufipogon, vermuten die Forscher, fehlen aber den bekannten wilden Vorläuferformen des kultivierten Reises, wie O. japonica und O. nivara.

Einige Reisformen schützen sich vor Hochwasser allerdings nicht durch das energiezehrende beschleunigte Wachstum, sondern durch die Fähigkeit, in einem Kraft sparenden Modus teilweise bis zu zwei Wochen unter Wasser zu überdauern. Auch dieser Mechanismus werde durch Ethylen ausgelöst, kommentieren Laurentius Voesenek von der Utrecht University und Kollegen [2]. Dabei würden aber verschiedene SUBMERGE-Gene angeregt, die die Konzentration von Giberellinsäure senken. Auch mit diesen Genen könnte neuen Reissorten ein effektiver Hochwasserschutz eingebaut werden.

Mit Hilfe von SNORKEL-Genen schnell wachsender Reis verliere viel Energie während einer Überflutung, gibt Voesenek zu bedenken, was zu Lasten der Erträge gehen dürfte. Zudem seien sehr hohe Stängel mit schweren Rispen besonders kopflastig und könnten leicht abknicken, sobald das Wasser sich wieder zurückzieht. Auch dies sollte bei einer zukünftigen gentechnischen Optimierung berücksichtigt werden. (jo)

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  • Quellen
[1] Hattori, Y. et al: The ethylene response factors SNORKEL1 and SNORKEL2 allow rice to adapt to deep water. In: Nature 460, S. 1026–1031, 2009.
[2] Voesenek L. et al.: Genetics of high-rise rice. In: Nature 460, S. 959–960, 2009.

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