04.05.2021 - University of Cambridge

Nutzen Sie die Fähigkeit von Pflanzen, die Zeit zu erkennen, um die Nahrungsmittelproduktion nachhaltiger zu machen - Studie

Cambridge Pflanzenwissenschaftler sagen, dass zirkadiane Uhrengene, die es Pflanzen ermöglichen, tägliche und saisonale Rhythmen zu messen, in der Landwirtschaft und Pflanzenzucht gezielt eingesetzt werden sollten, um höhere Erträge und eine nachhaltigere Landwirtschaft zu erreichen.

Wie der Mensch haben auch Pflanzen eine "innere Uhr", die die Rhythmen ihrer Umgebung überwacht. Die Autoren einer heute veröffentlichten Studie sagen, dass jetzt, da die genetische Basis dieses zirkadianen Systems gut verstanden ist und es verbesserte genetische Werkzeuge gibt, um es zu modifizieren, die Uhr in der Landwirtschaft genutzt werden sollte - ein Prozess, den sie als "Chronokultur" bezeichnen - um zur globalen Ernährungssicherheit beizutragen.

"Wir leben auf einem rotierenden Planeten, und das hat einen großen Einfluss auf unsere Biologie - und auf die Biologie der Pflanzen. Wir haben herausgefunden, dass Pflanzen viel besser wachsen, wenn ihre innere Uhr auf die Umgebung abgestimmt ist, in der sie wachsen", sagt Professor Alex Webb, Lehrstuhlinhaber für Cell Signalling am Department of Plant Sciences der University of Cambridge und Hauptautor des Berichts.

Die zirkadiane Uhr einer Pflanze spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung vieler Funktionen, die den Ertrag beeinflussen, einschließlich der Blütezeit, der Photosynthese und des Wasserverbrauchs. Die Gene, die den zirkadianen Rhythmus steuern, sind in allen wichtigen Kulturpflanzen ähnlich - und damit ein potenzielles Ziel für Pflanzenzüchter, die mehr Kontrolle über diese Funktionen erlangen wollen.

Chronokultur könnte auch angewandt werden, indem die Anbaupraktiken von Nutzpflanzen an die optimale Tageszeit angepasst werden, um den Ressourcenbedarf zu reduzieren. Die Studie wird heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Der einfachste und leichteste Ansatz, so die Wissenschaftler, wäre es, das Wissen über die innere Uhr einer Pflanze zu nutzen, um Wasser, Herbizide oder Pestizide zur effektivsten Tages- oder Nachtzeit einzusetzen. Kostengünstige Technologien wie Drohnen und Sensoren könnten rund um die Uhr Informationen über das Wachstum und die Gesundheit der Pflanzen sammeln. Landwirte könnten dann Ratschläge über die beste Zeit für die Anwendung von Behandlungen für ihre spezifischen Pflanzen erhalten, für ihren genauen Standort und die Wetterbedingungen.

"Wir wissen aus Laborexperimenten, dass die Bewässerung von Pflanzen oder die Anwendung von Pestiziden zu bestimmten Tageszeiten effektiver sein kann, was bedeutet, dass Landwirte weniger von diesen Ressourcen verwenden könnten. Dies ist ein einfacher Gewinn, der Geld sparen und zur Nachhaltigkeit beitragen könnte", sagt Webb.

Er fügte hinzu: "Wasser effizienter zu nutzen ist ein wichtiges Nachhaltigkeitsziel für die Landwirtschaft."

Webb sagt, dass die "vertikale Landwirtschaft" in Innenräumen auch durch Chronokultur verbessert werden könnte. Dieser Ansatz, der derzeit hauptsächlich für Blattgemüse verwendet wird, züchtet Pflanzen unter sehr kontrollierten Licht- und Temperaturbedingungen, kann aber auch sehr energieintensiv sein. Mit dem Wissen um die innere Uhr der Pflanzen und der Möglichkeit, diese durch genetische Modifikation zu verändern, könnten die Licht- und Heizzyklen für ein hocheffizientes Wachstum an die Pflanze angepasst werden.

"In der vertikalen Landwirtschaft könnte die Chronokultur die totale Kontrolle über die Pflanze geben. Wir könnten spezifische Nutzpflanzen mit internen Uhren züchten, die für den Anbau in Innenräumen geeignet sind, und die Licht- und Temperaturzyklen für sie optimieren", sagt Webb.

Eine dritte potenzielle Anwendung der Chronokultur ist die Nachernte, wenn die Pflanzen langsam verderben und von Schädlingen angefressen werden. Es gibt gute Belege dafür, dass Schädlingsschäden durch die Aufrechterhaltung der inneren Rhythmen der geernteten Pflanzen reduziert werden können.

"Die Reaktionen der Pflanzen auf Schädlinge sind optimiert - sie sind zu der Tageszeit, zu der die Schädlinge aktiv sind, am widerstandsfähigsten gegen Schädlinge", sagt Webb. "Ein einfaches Licht im Kühlwagen, das ein- und ausgeschaltet wird, um den Tag-/Nachtzyklus zu imitieren, würde also die innere Uhr der Pflanzen nutzen, um die Lagerung zu verbessern und den Abfall zu reduzieren."

Die Forscher sagen, dass die Pflanzenzüchter bei der Auswahl von Pflanzen mit bestimmten Merkmalen, wie z. B. einer späten Blütezeit für einen höheren Ertrag, bereits unbewusst nach den Pflanzen mit der am besten geeigneten inneren Uhr selektiert haben. Ein neues Verständnis der an der Uhr beteiligten Gene könnte diese Art der Züchtung viel gezielter und effektiver machen.

Webb sagt, dass es viele Möglichkeiten für die Chronokultur gibt, um die Nahrungsmittelproduktion nachhaltiger zu gestalten. Die Spezifika wären für jeden Standort und jede Kulturpflanze anders, und hier ist nun weitere Forschung nötig. Er ist zuversichtlich, dass der Ansatz ein Teil der Lösung sein kann, um unsere wachsende Bevölkerung nachhaltig zu ernähren.

Es wird geschätzt, dass wir in den nächsten 35 Jahren mehr Nahrungsmittel produzieren müssen als je zuvor in der Geschichte der Menschheit, wenn man den prognostizierten Anstieg der Weltbevölkerung und die Veränderung der Ernährungsgewohnheiten bei steigendem Einkommen berücksichtigt.

Eine ähnliche Idee wird jetzt in der Humanmedizin angewandt: Die "Chronomedizin" hat herausgefunden, dass Medikamente wirksamer sind, wenn sie zu einer bestimmten Tageszeit eingenommen werden.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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