Denn das Kohlendioxid lässt die Pflanzen wieder größer wachsen und untergräbt damit den Züchtungserfolg.
In den 1960er Jahren war sie der Star der Grünen Revolution: die kleinwüchsige Reissorte IR8. Ihre hohen Erträge halfen, die damals prophezeite Nahrungsmittelknappheit abzuwenden. Um Erträge zu erhöhen, konzentrierten sich Züchtungsprogramme damals vor allem auf die Selektion von Pflanzen mit geringer Halmhöhe. Denn diese investieren weniger Nährstoffe und Energie in das vegetative Wachstum, sie speichern diese stattdessen in den Körnern. Gleichzeitig konnten die kurzen, starken Halme die hohen Kornerträge ohne Probleme stemmen, während andere Hochleistungssorten unter dem Gewicht der Körner einknickten.
Heute ist IR8-Reis fast vollständig vom Markt verschwunden.
Das Ende der Grünen Revolution?
Die Erträge sind um 15 Prozent (%) gesunken, obwohl die genetische Ausstattung der Reispflanze sich nicht verändert hat. Was ist passiert?
Neben schlechteren Böden und zunehmendem biotischem Stress machen Wissenschaftler den Klimawandel für diese Entwicklung verantwortlich.
Ist der Klimawandel schuld?
Im Zuge des Klimawandels steigen nicht nur die Temperaturen weltweit an, auch die Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre nimmt zu. Heute enthält die Atmosphäre schon 25 % mehr davon als in den 1960er Jahren.
Kohlendioxid ist für Pflanzen unverzichtbar: Sie benutzen den Kohlenstoff zum Aufbau von Zucker und anderen wichtigen Stoffen. Eine erhöhte Konzentration steigert die Kohlenstoffverfügbarkeit und kann - so die bisherige Ansicht - das Wachstum von Pflanzen fördern.
Zu viel Kohlendioxid wirkt sich jedoch negativ auf die Erträge von Zwergsorten aus, fanden Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und der Universität Potsdam heraus.
Wachstumshormon genetisch abgeschaltet
Grundlage für die Studie war der genetische Mechanismus der Zwergenwüchsigkeit: Diesen Pflanzen fehlt ein Enzym, das zur Herstellung des Wachstumshormons Gibberellinsäure benötigt wird. Gibberellinsäure ist für das Längenwachstum von Pflanzen verantwortlich. Ohne das Hormon bleibt der Reis klein, aber kräftig und ertragreich.
Am Beispiel von Modell-Pflanzen haben die Potsdamer Forscher untersucht, wie sich ein erhöhter Kohlendioxid-Gehalt in der Luft auf das Biomassewachstum und den Stoffwechsel der Pflanzen auswirken und wie dies mit der Verfügbarkeit von Gibberellinsäure zusammenhängt. Hierzu züchteten sie Pflanzen, bei denen die Biosynthese von Gibberellinsäure genetisch herunter geregelt wurde.
Kohlendioxid kurbelt das Wachstum wieder an
Die Forscher verglichen nun Pflanzen des Wildtyps mit diesen kleinwüchsigen Pflanzen, und zwar bei normaler und bei erhöhter Kohlendioxid-Konzentration. Die kleinwüchsigen Pflanzen produzierten bei normaler Konzentration bis zu dreimal weniger Biomasse als die Kontrollpflanzen. Bei erhöhtem Kohlendioxid-Gehalt verschwand dieser Unterschied jedoch vollständig. Das Kohlendioxid hatte somit einen ähnlichen wachstumsstimulierenden Effekt wie die Gibberellinsäure.
Kohlendioxid verändert auch den Stoffwechsel der Pflanzen
In den Zwergpflanzen bewirkte der erhöhte Gehalt zudem eine Umprogrammierung des Stoffwechsels. Während die Zwergpflanzen bei normaler Kohlendioxid-Konzentration Stickstoff, Aminosäuren und Proteine in ihren Zellen anreicherten blieb eine vergleichbare Speicherung bei erhöhtem Gehalt aus. Bei hohem Gehalt produzierten die Pflanzen zwar deutlich mehr Enzyme für Photosynthese und anorganische Stickstoffaufnahme, jedoch weniger zur Synthese organischer Säuren.
Die Ergebnisse legen nahe, dass das Wachstumshormon Gibberellinsäure nur bei normalem Kohlendioxid-Gehalt in der Luft für eine hohe Biomasseausbeute notwendig ist. Bei erhöhtem Gehalt wird die Wirkung des Hormons durch eine Veränderung des Stoffwechsels ersetzt. Wie genau das gasförmige Kohlendioxid das Wachstum der Pflanzen beeinflusst, wollen die Forscher nun in weiteren Studien klären.
Herausforderung für die Züchtung
Die Studienergebnisse verdeutlichen, dass der Klimawandel die Errungenschaften der Grünen Revolution gefährdet. Durch das Herunterregeln des Wachstumshormons Gibberellinsäure wurden ertragreiche Zwergsorten der wichtigen Weltnahrungspflanzen gezüchtet. Nicht nur bei Reis haben sich heute Zwergsorten durchgesetzt, auch bei Weizen oder Raps setzen Landwirte auf die kurzstieligen Sorten.
Der Kohlendioxid-Anstieg in der Atmosphäre könnte den Züchtungsfortschritt dieser Zwergsorten Stück für Stück zunichte machen. Die Klimaerwärmung bedroht die Erträge durch sich verändernde Umweltbedingungen und zusätzlich auf zellulärer Ebene. Denn die meisten Nutzpflanzen wachsen nur in einer geringen Temperaturspanne gut. Züchter stehen damit vor der Herausforderung, neue Pflanzen zu entwickeln, die trotz Klimawandel weiterhin gute Erträge bringen. Eine Voraussetzung hierfür wird sein, die Wechselwirkungen zwischen züchterisch wichtigen Genveränderungen und sich verändernden Umweltbedingungen besser zu verstehen.
