Suche nach Maissorten, die an das Klima von morgen angepasst sind

Mais ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt. Es liefert nicht nur süße Mandeln zum Würzen vieler Gerichte, sondern wird auch in Ölen, als Süßungssirup und als Futterpflanze für Nutztiere verwendet. Auf Bauernhöfen auf der ganzen Welt wird Mais gezüchtet, um seinen Ertrag zu maximieren.

Doch was passiert mit dem Klimawandel? Forschungen der University of Washington kombinierten Klimaprognosen mit Pflanzenmodellen, um zu bestimmen, welche Kombination von Merkmalen für zukünftige Klimazonen am besten geeignet sein könnte. Die Studie nutzte Wetter- und Klimaprognosen für die Vereinigten Staaten in den Jahren 2050 und 2100 mit einem Modell, das das Maiswachstum simuliert, um die Kombination von Merkmalen zu finden, die unter künftigen Bedingungen im ganzen Land den höchsten und zuverlässigsten Ertrag bringen wird.

Das Open-Access-Dokument erscheint in Umweltforschung: Lebensmittelsysteme. UW News interviewte die Hauptautorin Abigail Swann, Professorin für Atmosphärenwissenschaften und Biologie an der UW, über die Studie und ihre Ergebnisse.

Unser zukünftiges Klima wird wärmer sein, trockenere Luft und eine höhere Konzentration an atmosphärischem Kohlendioxid aufweisen. Gibt es ein umfassendes Verständnis darüber, wie sich all diese Veränderungen zusammen auf das Pflanzenwachstum auswirken werden?

Für Mais ergab eine frühere Studie unserer Gruppe, dass höhere Temperaturen und trockenere Luft ungefähr die gleichen Auswirkungen haben, was beides zu einem geringeren Maisertrag und gleichzeitig mehr CO2 führt₂ für die Photosynthese verfügbar, erhöhter Ertrag. Steigerung der CO-Ausbeute₂ Dies reichte jedoch nicht aus, um den durch die beiden anderen Änderungen verursachten Rückgang auszugleichen, so dass die Maiserträge insgesamt zurückgingen.

Insgesamt werden wärmere Temperaturen, wie wir sie in Zukunft erwarten, das Pflanzenwachstum beschleunigen, aber weniger produktiv sein. Natürlich wirken sich Änderungen der Niederschläge auch auf ihr Wachstum an verschiedenen Standorten aus, wenngleich sie insgesamt weniger Auswirkungen haben, insbesondere bei landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, die auf Bewässerung angewiesen sind.

Normalerweise denken viele Menschen unter Klimawandel an eine Veränderung der Gebiete, in denen bestimmte Nutzpflanzen wachsen können. Ihre Studie zeigt, dass die Nutzpflanzensorten, die wir heute anbauen, für keinen künftigen Standort ideal sind. Warum das?

Wenn sich das Klima weiter erwärmt, können wir uns anpassen, indem wir bestehende Pflanzensorten näher an die Pole bringen, wo die Luft kühler ist. Aber die Verlagerung bestehender Sorten an neue Standorte reicht nicht aus, um den Ertragsverlust auszugleichen, den wir in einem wärmeren Klima erwarten, denn die Auswirkungen höherer Temperaturen sind sehr schädlich.

Unsere Studie untersuchte 100 mögliche Maissorten und stellte fest, dass diejenigen, die in Zukunft am erfolgreichsten sein werden, nicht diejenigen sind, die jetzt erfolgreich sind: Wir brauchen neue Nutzpflanzen für das neue Klima.

Können Sie den Mais beschreiben, der laut Ihrer Studie in zukünftigen Klimazonen im Vergleich zu den Sorten, die heute die besten Ergebnisse erzielen, die besten Ergebnisse erzielen wird?

Bei Maispflanzen bilden sich zunächst Blätter und dann Körner. Wir stellen fest, dass Maispflanzen heute einen Kompromiss zwischen der Produktion vieler Blätter und der Möglichkeit, in der Vegetationsperiode genügend Zeit zu haben, um viel Getreide zu produzieren, eingehen müssen. Das bedeutet, dass die heute leistungsstärksten Sorten nicht viele Blätter produzieren und daher früh in der Saison auf den Getreideanbau umsteigen können.

Durch das Wachsen von mehr Blättern könnte Mais möglicherweise die Photosynthesekapazität der Pflanze steigern, was auch die Menge an Getreide erhöhen würde, die sie produzieren könnte, aber heute geht dies auf Kosten einer kürzeren Vegetationsperiode.

Zukünftig wird es insgesamt wärmer und der Mais kann möglicherweise früher gepflanzt und später in der Saison geerntet werden. Diese längere Vegetationsperiode entlastet Mais von diesem Kompromiss und ermöglicht es ihm, mehr Blätter zu produzieren und gleichzeitig noch genügend Zeit für den Getreideanbau zu haben (schnelleres Wachstum bei wärmeren Temperaturen hat einen zusätzlichen Vorteil).

In diesem Sinne können die Maispflanzen der Zukunft also im Grunde ihr Stück vom Kuchen haben und es auch essen. Die von uns simulierten Sorten, die sich die Fähigkeit zunutze machten, mehr Blätter zu produzieren, brachten unter dem zukünftigen Klima mehr Erträge als Sorten mit weniger Blattwachstum. Für Mais sind das allerdings keine guten Nachrichten. Obwohl Mais in der Lage sein wird, mehr Blätter zu produzieren und dennoch genügend Zeit zum Körnerwachstum hat, werden die nachteiligen Auswirkungen von warmen Temperaturen und trockenerer Luft die Gesamterträge verringern. Der Anbau von mehr Blättern und eine längere Vegetationsperiode tragen dazu bei, diese negativen Auswirkungen abzumildern, aber insgesamt schnitten alle von uns simulierten Maispflanzen unter zukünftigen Klimabedingungen schlechter ab.

Gibt es eine Möglichkeit, diese Ergebnisse an realen Pflanzen zu überprüfen, bevor diese klimatischen Bedingungen Realität werden?

Obwohl die von uns gefundenen Pflanzen, die unter künftigen Klimabedingungen am besten funktionieren würden, heute nicht existieren, können Pflanzen mit vielen dieser Merkmale mithilfe genetischer Techniken wie CRISPR schnell gezüchtet werden. Anschließend können sie unter kontrollierten Klimabedingungen gezüchtet werden, um zu sehen, ob unsere Ergebnisse für echte Pflanzen gelten. Dieser Teil des Prozesses ist überraschend schnell und ermöglicht es uns, neue Pflanzensorten zu entwickeln und zu testen, bevor sie benötigt werden.

Warum ist es sinnvoll, Computermodelle zu verwenden und nicht nur selektive Züchtung, wie es in der Vergangenheit üblich war?

Die Züchtung neuer Pflanzensorten ist ein sehr langsamer Prozess. Von der anfänglichen Züchtung bis zur Erprobung und Übernahme durch die Landwirte kann es Jahrzehnte dauern. Der Prozess beginnt mit der Auswahl bestehender Pflanzensorten auf der Grundlage wünschenswerter Eigenschaften, einschließlich hoher Erträge. Anschließend werden diese potenziellen neuen Sorten kombiniert, angebaut und in verschiedenen Umgebungen und mit unterschiedlichem Management getestet. Schließlich werden die endgültigen Sorten kommerzialisiert und können dann von den Landwirten übernommen werden.

Durch Simulationen können wir ein viel größeres Spektrum möglicher Merkmalskombinationen testen, die für eine neue Sorte gut funktionieren könnten, und dieses Wissen als Leitfaden für die frühen Phasen der Züchtung nutzen. Dies kann den Fortpflanzungsprozess beschleunigen und unsere Fähigkeit zur Anpassung an den Klimawandel beschleunigen. Es gibt uns auch Informationen über Merkmale, die wir möglicherweise erzeugen möchten und die weiter von unseren bestehenden Sorten entfernt sind.

Wie passt Ihre Studie in das breitere Feld der Klimaanpassung?

Wir müssen die Landwirtschaft in vielerlei Hinsicht anpassen, um den Bedürfnissen einer wachsenden Bevölkerung gerecht zu werden, die mit einer steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln konfrontiert ist, verbunden mit dem Verlust von Ernteerträgen, den wir aufgrund der Klimaerwärmung erwarten. Unsere Studie trägt dazu bei, den Prozess der Züchtung klimaresistenter Pflanzen voranzutreiben, indem sie sich vorstellt, wie diese Pflanzen aussehen sollten. Unsere Studie liefert auch ein Modell dafür, wie diese Analyse für andere Nutzpflanzenarten außer Mais durchgeführt werden kann.

Obwohl wir uns in dieser Studie auf Mais konzentrieren, betrachten wir unsere Arbeit als Demonstration eines Ansatzes, der auf jede Kulturpflanze angewendet werden kann, und daher eher als Modell dafür, wie wir die erwarteten Auswirkungen des Klimawandels in die Auswahl neuer Nutzpflanzen integrieren können . Sorten.

In den Vereinigten Staaten haben wir kürzlich von einer Bevölkerungsstabilisierung aufgrund sinkender Geburtenraten und einer Umstellung auf weniger ressourcenintensive pflanzliche Ernährung gehört. Können Sie erklären, warum weltweit weiterhin mit einem Anstieg der Maisnachfrage zu rechnen ist?

Die Weltbevölkerung wächst weiter, und neben der wachsenden Gesamtzahl wird die Weltbevölkerung auch immer wohlhabender und ihr Fleischkonsum steigt. In den Vereinigten Staaten ist unsere Ernährung bereits sehr fleischlastig, und die Umstellung auf eine weniger ressourcenintensive, pflanzliche Ernährung ist aus gesundheitlicher und ökologischer Sicht durchaus sinnvoll.

Doch der Fleischkonsum ist in vielen Teilen der Welt derzeit sehr gering. Da der Wohlstand dieser Bevölkerungsgruppen zunimmt, gehen wir davon aus, dass der Fleischkonsum in einigen Fällen zunehmen wird. Dieser Wohlstandszuwachs ist gut für das Wohlergehen dieser Menschen. Durch die Anpassung der Landwirtschaft hoffen wir, erwartete Ertragsverluste aufgrund wärmerer Temperaturen abzufedern und dazu beizutragen, genügend Nahrung für alle bereitzustellen.

Was ist die Fortsetzung dieser Forschung?

Wir möchten mit Züchtern zusammenarbeiten, um einige der in unserer Studie vorgeschlagenen Maissorten zu entwickeln und ähnliche Studien zu anderen wichtigen globalen Nahrungsmittelpflanzen durchzuführen. Wir suchen derzeit nach zusätzlichen Finanzierungsquellen, um diese nächsten Schritte abzuschließen.

Die Hauptautorin Jennifer Hsiao hat diese Arbeit im Rahmen ihrer Promotion in Biologie an der UW durchgeführt. Co-Autoren sind Soo-Hyung Kim, Professorin für Umwelt- und Forstwissenschaften an der UW; Dennis Timlin vom US-Landwirtschaftsministerium; und Nathaniel Mueller von der Colorado State University.