Hitzewellen bedrohen den Ertrag von Gerste – doch es gibt Lösungen

Der globale Temperaturanstieg verringert die Erträge und die Qualität von Nutzpflanzen deutlich, und Gerste bleibt davon nicht verschont. Dieses Getreide, das für die Tierfütterung und die Bierherstellung unerlässlich ist, sieht seine Entwicklung durch extreme Hitze beeinträchtigt. Hitzewellen schädigen die Zellmembranen, verändern Proteine und erhöhen die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies, die für die Zellen schädlich sind. Diese Störungen behindern die Photosynthese und die Fortpflanzung der Pflanze und führen zu erheblichen Ertragsverlusten.

Um Abhilfe zu schaffen, werden physiologische und molekulare Mechanismen untersucht. Auf physiologischer Seite ermöglicht die Optimierung des Aussaatzeitpunkts der Gerste, die Phasen intensiver Hitze während der kritischen Entwicklungsstadien wie Blüte und Kornfüllung zu vermeiden. Eine angepasste Bewässerung und ein strenges Düngemanagement helfen den Pflanzen ebenfalls, besser zu widerstehen, indem sie einen guten Hydrations- und Nährstoffspiegel aufrechterhalten. Die Inokulation mit nützlichen Pilzen und Bakterien stärkt zudem die Toleranz der Gerste, indem sie das Wachstum fördert und das Abwehrsystem gegen Stress verbessert.

Mikroorganismen, wie bestimmte Stämme von Bacillus, produzieren pflanzliche Hormone und binden Stickstoff, was die Nährstoffaufnahme verbessert. Sie helfen auch, reaktive Sauerstoffspezies zu neutralisieren, die für ionische Ungleichgewichte in Pflanzen unter Hitzestress verantwortlich sind.

Auf molekularer Ebene wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Hitzetoleranz-Gene, die bei Modellpflanzen wie Arabidopsis identifiziert wurden, wurden in Gerste übertragen. So wurde beispielsweise das Gen HvGST4, das aus wildem Gerste stammt, in Arabidopsis überexprimiert, was deren Toleranz nicht nur gegenüber Hitze, sondern auch gegenüber Trockenheit, Salz und Kälte verbessert. Dieses Gen fördert die Produktion von Glutathion, einem natürlichen Antioxidans, das die Zellen schützt. Ein weiteres Gen, TaHsfA6b, das aus Weizen stammt, wurde durch Gen-Editing in Gerste integriert und stärkt deren Fähigkeit, hohe Temperaturen ohne Beeinträchtigung ihrer normalen Eigenschaften zu ertragen.

Forscher haben zudem genetische Regionen identifiziert, die als QTL (Quantitative Trait Loci) bezeichnet werden und mit Hitzetoleranz in Verbindung stehen. Drei dieser Regionen wurden mit der Resistenz gegen Hitzestress bei 120 Gerstensorten in Verbindung gebracht, während zehn weitere sowohl die Resistenz als auch die Qualität der Körner beeinflussen. Diese Entdeckungen ermöglichen die Selektion robusterer Sorten durch genomische Selektionstechniken, die die DNA analysieren, um die Leistung der Pflanzen vorherzusagen.

Auch die Geneditierung mit CRISPR, eine präzise Methode zur DNA-Modifikation, bietet vielversprechende Perspektiven. Sie ermöglicht die gezielte Veränderung spezifischer Gene, um die Hitzetoleranz von Gerste zu verbessern, ohne unerwünschte Mutationen einzuführen. Die so modifizierten Sorten produzieren mehr Hitzeschockproteine, die die Zellen bei Stress schützen.

Schließlich helfen landwirtschaftliche Praktiken wie das Priming, bei dem junge Pflanzen kurzzeitig moderater Hitze ausgesetzt werden, der Gerste, später höhere Temperaturen besser zu ertragen. Diese Technik aktiviert Abwehrmechanismen wie die Produktion antioxidativer Enzyme und schützender Proteine, die Zellschäden begrenzen.

Diese Fortschritte, kombiniert mit einem optimalen Anbaumanagement, könnten es ermöglichen, die Gerstenproduktion trotz der globalen Erwärmung zu erhalten oder sogar zu steigern. Die aktuellen Verluste, die in einigen Regionen bei Hitzewellen bis zu 50 % betragen können, könnten so reduziert werden, was eine stabile Versorgung für die abhängigen Industrien sichert.

Hitzewellen bedrohen den Ertrag von Gerste – doch es gibt Lösungen

Der globale Temperaturanstieg verringert die Erträge und die Qualität von Nutzpflanzen deutlich, und Gerste bleibt davon nicht verschont. Dieses Getreide, das für die Tierfütterung und die Bierherstellung unerlässlich ist, sieht seine Entwicklung durch extreme Hitze beeinträchtigt. Hitzewellen schädigen die Zellmembranen, verändern Proteine und erhöhen die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies, die für die Zellen schädlich sind. Diese Störungen behindern die Photosynthese und die Fortpflanzung der Pflanze und führen zu erheblichen Ertragsverlusten.

Um Abhilfe zu schaffen, werden physiologische und molekulare Mechanismen untersucht. Auf physiologischer Seite ermöglicht die Optimierung des Aussaatzeitpunkts der Gerste, die Phasen intensiver Hitze während der kritischen Entwicklungsstadien wie Blüte und Kornfüllung zu vermeiden. Eine angepasste Bewässerung und ein strenges Düngemanagement helfen den Pflanzen ebenfalls, besser zu widerstehen, indem sie einen guten Hydrations- und Nährstoffspiegel aufrechterhalten. Die Inokulation mit nützlichen Pilzen und Bakterien stärkt zudem die Toleranz der Gerste, indem sie das Wachstum fördert und das Abwehrsystem gegen Stress verbessert.

Mikroorganismen, wie bestimmte Stämme von Bacillus, produzieren pflanzliche Hormone und binden Stickstoff, was die Nährstoffaufnahme verbessert. Sie helfen auch, reaktive Sauerstoffspezies zu neutralisieren, die für ionische Ungleichgewichte in Pflanzen unter Hitzestress verantwortlich sind.

Auf molekularer Ebene wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Hitzetoleranz-Gene, die bei Modellpflanzen wie Arabidopsis identifiziert wurden, wurden in Gerste übertragen. So wurde beispielsweise das Gen HvGST4, das aus wildem Gerste stammt, in Arabidopsis überexprimiert, was deren Toleranz nicht nur gegenüber Hitze, sondern auch gegenüber Trockenheit, Salz und Kälte verbessert. Dieses Gen fördert die Produktion von Glutathion, einem natürlichen Antioxidans, das die Zellen schützt. Ein weiteres Gen, TaHsfA6b, das aus Weizen stammt, wurde durch Gen-Editing in Gerste integriert und stärkt deren Fähigkeit, hohe Temperaturen ohne Beeinträchtigung ihrer normalen Eigenschaften zu ertragen.

Forscher haben zudem genetische Regionen identifiziert, die als QTL (Quantitative Trait Loci) bezeichnet werden und mit Hitzetoleranz in Verbindung stehen. Drei dieser Regionen wurden mit der Resistenz gegen Hitzestress bei 120 Gerstensorten in Verbindung gebracht, während zehn weitere sowohl die Resistenz als auch die Qualität der Körner beeinflussen. Diese Entdeckungen ermöglichen die Selektion robusterer Sorten durch genomische Selektionstechniken, die die DNA analysieren, um die Leistung der Pflanzen vorherzusagen.

Auch die Geneditierung mit CRISPR, eine präzise Methode zur DNA-Modifikation, bietet vielversprechende Perspektiven. Sie ermöglicht die gezielte Veränderung spezifischer Gene, um die Hitzetoleranz von Gerste zu verbessern, ohne unerwünschte Mutationen einzuführen. Die so modifizierten Sorten produzieren mehr Hitzeschockproteine, die die Zellen bei Stress schützen.

Schließlich helfen landwirtschaftliche Praktiken wie das Priming, bei dem junge Pflanzen kurzzeitig moderater Hitze ausgesetzt werden, der Gerste, später höhere Temperaturen besser zu ertragen. Diese Technik aktiviert Abwehrmechanismen wie die Produktion antioxidativer Enzyme und schützender Proteine, die Zellschäden begrenzen.

Diese Fortschritte, kombiniert mit einem optimalen Anbaumanagement, könnten es ermöglichen, die Gerstenproduktion trotz der globalen Erwärmung zu erhalten oder sogar zu steigern. Die aktuellen Verluste, die in einigen Regionen bei Hitzewellen bis zu 50 % betragen können, könnten so reduziert werden, was eine stabile Versorgung für die abhängigen Industrien sichert.

Mentions des sources

Publication citée

DOI : https://doi.org/10.1007/s44372-026-00718-6

Titre : Evaluation of molecular and physiological mechanisms underpinning heat stress tolerance in barley (Hordeum vulgare L.): an approach towards heat resilient barley production

Revue : Discover Plants

Éditeur : Springer Science and Business Media LLC

Auteurs : Ali Hasnain; Muhammad Naveed Anjum; Zahid Mehmood; Adeel Mustafa; Muhammad Umer Farooq Awan