Bessere Verwurzelung beim Klonen von Pflanzen gleich verbesserte Vielfalt, Kosten und Klimaresistenz?

Die Forscher erklären, dass die Bewurzelung von Stecklingen eine kritische Komponente in der modernen Landwirtschaft ist: “Eine beträchtliche Anzahl von Obstbäumen sowie Waldbäumen und Zierpflanzen basiert heute auf der Stecklingsvermehrung: der Erzeugung von Pflanzen, die genetische Klone eines Individuums mit gewünschten Eigenschaften sind. Die Verbesserung des Bewurzelungsprozesses kann in verschiedener Hinsicht einen Beitrag zur globalen Landwirtschaft leisten: Entwicklung neuer, hochwertiger Sorten, Senkung der Preise für Landwirte und Verbraucher, Steigerung der wirtschaftlichen Rentabilität neuer Pflanzensorten und Anpassung der Kulturen an die sich ändernden klimatischen Bedingungen.”

Dr. Einat Sadot vom Institut für Pflanzenwissenschaften am Volcani-Institut erklärt: “Die vegetative Vermehrung durch Stecklinge ist eine Methode zur ungeschlechtlichen Vermehrung von Pflanzen - nicht durch Samen. Bei dieser Methode wird ein Zweig einer Pflanze mit erwünschten Eigenschaften (z.B. Fruchtgeschmack, Trockenheitsresistenz, Krankheitsresistenz usw.) ausgewählt, und Teile dieses Zweigs, die als Stecklinge oder Vermehrungspflanzen bezeichnet werden, werden Bedingungen ausgesetzt, die dazu führen, dass sie Wurzeln bilden und zu eigenständigen Pflanzen werden. Die auf diese Weise entstandenen neuen Individuen sind eigentlich Klone mit der gleichen Genetik wie die Mutterpflanze. Damit eine Kultur wirtschaftlich rentabel ist, ist ein Bewurzelungsgrad von mindestens 50 % bis 60 % erforderlich, und diese Zahl ist ein wichtiger Faktor. Der Prozentsatz der Bewurzelung variiert zwischen verschiedenen Gattungen derselben Familie, zwischen verschiedenen Arten derselben Gattung und sogar zwischen verschiedenen Sorten derselben Art, und es gibt wichtige landwirtschaftliche Pflanzen, die besonders schwer zu bewurzeln sind.”

Um den Prozentsatz der Pflanzen, die Wurzeln bilden, zu erhöhen, müssen die Stecklinge dem Pflanzenhormon Auxin ausgesetzt werden - ein Verfahren, das vor mehr als 70 Jahren entdeckt wurde und sich seitdem kaum verändert hat. Dr. Roy Weinstain: “Die Wirksamkeit der bisherigen Auxin-Behandlung ist von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich. Zahlreiche landwirtschaftlich wichtige Pflanzen sprechen auf die Standard-Auxin-Behandlung in Bezug auf die Wurzelbildung kaum an, so dass sie nicht vermarktet werden konnten. In unserer Studie haben wir versucht, die Wirkung von Auxin auf die Stecklinge zu erhöhen. Hinweise in der wissenschaftlichen Literatur und Beobachtungen von Fachleuten auf diesem Gebiet veranlassten uns zu der Frage: Wird eine langsame Freisetzung des Auxins in der Pflanze den Bewurzelungserfolg der Stecklinge erhöhen?” Zu diesem Zweck erstellten die Forscher zunächst eine “Bibliothek” von Materialien auf der Grundlage synthetischer Auxin-Konjugate - Moleküle, in denen ein synthetisches Auxin an eine andere chemische Gruppe gebunden ist, die seine Aktivität neutralisiert, aber in den Pflanzenzellen langsam freigesetzt werden kann. Die Bibliothek wurde anhand von Stecklingen eines ausgewachsenen Eukalyptus grandis-Baums untersucht, bei denen die Standard-Auxin-Behandlung nur eine geringe Bewurzelungsrate von 10 % bis 15 % erreichte.

Forschungsstudent Ohad Roth erklärt: “Bei der ersten Untersuchung wurden mehrere Verbindungen identifiziert, die sich positiv auf den Bewurzelungsprozess auswirken, und die weitere Forschung konzentrierte sich auf die wirksamste. Wir entdeckten, dass diese Verbindung eine Kombination aus hoher Durchlässigkeit für die Pflanze und einer verlängerten Freisetzung des Wirkstoffs, des synthetischen Auxins, ermöglicht, so dass das Auxin viel länger in der Pflanze verbleibt, bis zu anderthalb Wochen”. Tatsächlich erhöhte die verbesserte Behandlung den Bewurzelungsgrad der Eucalyptus grandis-Stecklinge auf 60 % - bis zu sechsmal höher als die mit der Standardmethode gefundenen Bewurzelungsgrade.

Um die Wirkungsweise der neuen Verbindung besser zu verstehen, verwendeten die Forscher die Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Sie entdeckten, dass das in dem neuen Material verwendete synthetische Auxin in den Pflanzenzellen stabiler ist (langsamer abgebaut wird) als das bei der Standardbehandlung verwendete Auxin. Darüber hinaus identifizierten die Forscher eine Familie von Enzymen in der Pflanze, die für die Freisetzung des synthetischen Auxins verantwortlich sind. Durch die Modellierung der Struktur und der biochemischen Eigenschaften dieser Enzyme haben sie wichtige Merkmale ihrer Aktivität identifiziert.

In einem nächsten Schritt wollten die Forscher herausfinden, ob ähnliche Enzyme auch in anderen Pflanzen vorkommen - in der Annahme, dass ihr Vorhandensein die Verwendung des neuen Materials ebenso wie in anderen Kulturpflanzen ermöglicht. Sie entdeckten, dass diese Enzymfamilie sehr alt ist und im Laufe der Evolution in jedem untersuchten Baum erhalten blieb. Angesichts der ermutigenden Ergebnisse begannen sie, die Wirksamkeit der von ihnen entwickelten Materialien an verschiedenen Nutzpflanzen zu testen.

Ermutigende Ergebnisse wurden auch bei Versuchen mit Stecklingen von Apfelbaum-Unterlagen, Pappel und anderen Eukalyptus-Sorten beobachtet. In allen Fällen wurde ein höherer Bewurzelungsgrad erreicht - doppelt so hoch oder mehr im Vergleich zur Standard-Auxin-Behandlung. Die Forscher schlussfolgern: “Im Laufe der Forschung haben wir ein Material entwickelt, das die Bewurzelungsrate von Stecklingen reifer Bäume deutlich verbessert. Diese Entwicklung könnte für die weltweite Landwirtschaft in dreierlei Hinsicht von Bedeutung sein: 

• Kostensenkung: Die Verbesserung der Wirksamkeit des Bewurzelungsverfahrens kann die Kosten für die Beschaffung von Setzlingen für die Landwirte und letztlich für die landwirtschaftlichen Erzeugnisse für die Verbraucher erheblich senken.
• Verbesserte Produktqualität: Dank der neuen Methode könnten mehr qualitativ hochwertige Sorten entwickelt und gehandelt werden, so dass keine “Kompromisse” bei minderwertigen Sorten eingegangen werden müssen, nur weil sie eine hohe Bewurzelungsrate aufweisen.
• Umweltverträglichkeit: Die Entwicklung neuer Pflanzensorten, die sich an die Bedingungen des Klimawandels anpassen, ist für die Aufrechterhaltung der landwirtschaftlichen Produktion unabdingbar. Mit der neuen Methode kann dieser Prozess beschleunigt und effizienter gestaltet werden.

In Folgestudien wollen wir das Verständnis der Wirkmechanismen der neuen Substanzen vertiefen und nach weiteren, vielleicht noch wirksameren Verbindungen suchen, die als Konjugate die Freisetzung von Auxin in der Pflanze verlangsamen können.”