Bessere Erträge trotz DNA-Schädigungen

Große Teile der Anbaugebiete für Feldfrüchte auf der Erde enthalten Aluminium im Boden, das das Wachstum von Weizen, Mais und anderen Nutzpflanzen behindern kann. Eine neue Studie, die an der University of California, Riverside, entstand, kommt nun zu dem Ergebnis, dass sich die Erträge mit Hilfe gentechnischer Veränderungen selbst auf solchen Feldern verbessern lassen, die bislang als wenig ideal für den Anbau galten.

Aluminium kommt im Boden oft vor, es ist ein Hauptbestandteil von Lehm. Ist der Boden sauer, bilden sich Aluminiumionen, die sich verflüssigen können. Dies wirkt wiederum toxisch auf Pflanzen. Das Problem: Die Hälfte aller Anbaugebiete für Feldfrüchte auf der Erde sind sauer. Das Metall wirkt sich deshalb oft negativ aus und reduziert das Wachstum in nahezu 20 Prozent der kulturfähigen Böden des Planeten. Betroffen sind auch große Teile der USA östlich des Mississippi und der Nordwesten Europas.

"Das Problem ist, dass all diese Feldfrüchte wie Weizen, Mais oder Gerste sich nie für Böden mit hoher Aluminiumgiftigkeit weiterentwickelt haben", sagt Paul Larsen, Studienleiter und Professor für Biochemie in Riverside. "Es gibt keine natürliche Resistenz oder Toleranz gegenüber dem Stoff." Pflanzenzüchter arbeiteten zwar an Sorten, die damit besser klarkämen, doch zeige sich nur ein schrittweiser Fortschritt.

Larsen und seine Kollegin Megan Rounds haben nun eine einfache Mutation eines einzelnen Gens entdeckt, dass die Pflanzen selbst bei einem Aluminiumniveau sprießen lassen, das üblicherweise giftig wäre. "AtATR" genannt, wurde es von den Forschern bei der Untersuchung von Mutationen der Schaumkresse Arabidopsis entdeckt, mit der in der Pflanzengenetik oft experimentiert wird. Das Gen ist mit einer Familie von Proteinen verwandt, von denen bekannt ist, dass sie bei der Auffindung und Behebung von DNA-Schädigungen in nahezu allen multizellulären Organismen helfen.

Giftige Aluminiumionen schädigen das Erbgut. Larsen und Rounds gehen davon aus, dass die Pflanzen darauf reagieren, in dem sie das Zellwachstum in den Spitzen ihrer Wurzeln abschalten. Diese Reaktion könnte sich über Generationen weiterentwickelt haben, um mit der Giftigkeit von Aluminium besser umgehen zu können. Derzeit bedeutet sie allerdings, dass die Pflanzen weniger gesund sind, schlechter wachsen und Stress wie Trockenheit gegenüber anfälliger werden.

Die neu entdeckte Mutation inaktiviert das AtATR-Protein nun. Die Zellen reagieren also nicht mehr auf die DNA-Schädigungen, in dem sie ihre Teilung abstellen. "Die Pflanze ist damit effektiv gesehen blind dafür, was sich dort abspielt." Mutierte Pflanzen wachsen daraufhin selbst dann zu voller Größe, wenn zu viel Aluminium im Boden steckt – und zwar auch bei stärkeren DNA-Schäden.

Noch ist unklar, wie viel dieser Schädigungen die Pflanze davonträgt, sagt Larsen. Doch die Strategie könnte aufgehen, wenn das Wachstum so kurzfristig gesteigert werden kann. Um zu vermeiden, dass sich die Probleme über mehrere Pflanzengenerationen anreichern, könnten Farmer ihr Saatgut von Böden beziehen, auf denen die veränderten Pflanzen ohne Aluminium wachsen können. So arbeiten Bauern in den Industrienationen schon lange: Sie beziehen ihre Hybridsamen von der Industrie, anstatt eigene Samen des vergangenen Jahres zur Pflanzung zu verwenden.

"Die Studie bietet erste Beweise für einen Mechanismus, der den toxischen Effekt des Aluminiums auf das Wurzelwachstum erklärt", meint Pflanzenbiologe Manny Delhaize vom Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation Plant Industry Center in Australien. "Es gab bereits eine Anzahl von Theorien, was sich da abspielt. Dies würde den molekularen Prozess erklären." Delhaize meint, dass eine weitere Methode, die das Wachstum aufrechterhalten würde, die Generierung von Molekülen in den Wurzelspitzen der Plfanze wäre, die AtATR deaktivieren. Damit lasse sich auch der DNA-Schaden stärker begrenzen.

Ein solcher Ansatz müsse aber gar nicht sein, meint Larsen. Selbst nach der Zucht mehrerer Generationen mutierter Pflanzen auf Aluminium-Böden habe es keine negativen Auswirkungen auf Wachstum, Nutzbarkeit oder Samenproduktion gegeben. (bsc)