HYDROOT

Nutzung von Wurzelmerkmalen für eine klimaresiliente Landwirtschaft: Adaptive Strategien zur Toleranz gegenüber Wasserstress

Wenn der Regen ausbleibt oder zur falschen Zeit in Strömen fällt, entscheidet sich auf Bayerns Feldern die Zukunft unserer Ernten. Der Klimawandel bringt zunehmend schwankende Temperatur- und Niederschlagsmuster mit sich und hat damit spürbare Auswirkungen auf die Bodenstabilität, Nährstoffverfügbarkeit und die Erträge.

Doch die Antwort auf diese Herausforderung liegt nicht nur über der Erde, sondern darunter. Das Projekt HYDROOT richtet den Blick auf das verborgene Fundament unserer Kulturpflanzen: das Wurzelsystem und seine Interaktion mit dem Bodenmikrobiom. Genomforschung, quantitative Genetik und moderne Mikrobiom-Analysen werden kombiniert, um die genetischen und mikrobiellen Mechanismen zu entschlüsseln, die Pflanzen widerstandsfähig gegen Trockenheit und Wasserüberschuss machen.

Wurzeln bestimmen, wie effizient eine Pflanze Wasser aufnimmt, Nährstoffe erschließt und auf Umweltstress reagiert. Gleichzeitig lebt in der Rhizosphäre, dem unmittelbaren Wurzelraum, eine hochkomplexe mikrobielle Gemeinschaft. Diese Mikroorganismen fördern die Wasseraufnahme, stabilisieren Nährstoffkreisläufe und unterstützen die Pflanze bei der Anpassung an veränderte Umweltbedingungen.

HYDROOT verfolgt ein klares Ziel: die wichtigsten genetischen und mikrobiellen Determinanten der Anpassung an Wasserstress zu identifizieren und daraus prädiktive Modelle für Pflanze-Wasser-Mikrobiom-Interaktionen zu entwickeln.

So entsteht die wissenschaftliche Grundlage für eine nachhaltige Züchtung klimaresilienter Kulturpflanzen – angepasst an die Herausforderungen Bayerns im 21. Jahrhundert.

Hintergrund

Eine der wichtigsten Kulturpflanzen Bayerns ist Mais. Seine hohe Biomasseleistung, Vielseitigkeit und Wirtschaftlichkeit machen ihn zu einem zentralen Baustein der landwirtschaftlichen Produktion. Doch Mais ist mehr als das, was wir über der Erde sehen. Sein komplexes Wurzelsystem beeinflusst die Aufnahme und den Transport von Wasser und Nährstoffen, den Kohlenstoffhaushalt der Pflanze und die Struktur des Bodenlebens. Das wurzelassoziierte Mikrobiom wiederum steuert Nährstoffhomöostase, Stresstoleranz und zentrale Ökosystemprozesse.

Trotz dieser Bedeutung lag der Fokus der Pflanzenforschung und -züchtung bislang überwiegend auf oberirdischen Merkmalen. Wurzeln blieben oft unsichtbar auch, weil geeignete Methoden zu ihrer detaillierten Erfassung lange fehlten.

Infolgedessen spielte die gezielte Selektion auf Wurzel- und Mikrobiom-Merkmale in Züchtungsprogrammen bisher nur eine untergeordnete Rolle. Neue technologische Entwicklungen eröffnen nun innovative Möglichkeiten. Insbesondere die doppelhaploiden Linien aus der europäischen Landrasse Kemater Landmais Gelb stellen eine einzigartige experimentelle Ressource dar. Diese Population zeigt eine außergewöhnlich große Variation in Wurzelmerkmalen – eine ideale Grundlage, um genetische Ursachen dieser Unterschiede zu identifizieren.

Basierend auf Genomsequenzen, Transkriptomdaten und umfassender Phänotypisierung nutzt HYDROOT diese Ressource, um Kandidatengene für Wurzelarchitektur und Wasserstress-Resilienz zu identifizieren und damit neue Wege für die Pflanzenzüchtung zu eröffnen.

Methoden und Ziele

HYDROOT vereint Pflanzengenetik, Pflanzenphysiologie, Mikrobiomforschung und computergestützte Biologie in einem integrativen Forschungsansatz. Die Pflanzen werden sowohl unter natürlichen Feldbedingungen als auch in speziell geschützten Versuchsflächen untersucht, in denen Trockenheit gezielt simuliert werden kann.

Besonderes Augenmerk liegt auf den Wurzeln:

• Mit modernen Bildgebungsverfahren können die Wurzeln im Boden beobachtet werden, ohne sie auszugraben.
• So lässt sich genau verfolgen, wie sie wachsen und wie sie Wasser aufnehmen.

Gleichzeitig wird untersucht:

• Welche Mikroorganismen rund um die Wurzeln leben
• Welche Stoffe die Pflanze über ihre Wurzeln in den Boden abgibt
• Welche Gene unter Trockenstress aktiv werden

Alle gewonnenen Daten werden mit modernen Computerverfahren ausgewertet, um Zusammenhänge zu erkennen und wichtige genetische Faktoren zu identifizieren.

Darauf aufbauend kommen innovative modellbasierte Ansätze zum Einsatz. Gemeinschaftsbasierte Die wichtigsten Ziele von HYDROOT sind:

• Unterschiede verstehen: Herausfinden, wie stark sich Wurzelmerkmale und die Zusammensetzung der Mikroorganismen zwischen verschiedenen Pflanzen unterscheiden – und wie sehr diese Eigenschaften vererbbar sind.
• Anpassungsfähigkeit untersuchen: Verstehen, wie flexibel Wurzeln und Mikroorganismen auf unterschiedliche Wassermengen reagieren und ob diese Eigenschaften für die Pflanzenzüchtung nutzbar sind.
• Mechanismen aufklären: Erforschen, welche biologischen Prozesse Pflanzen helfen, Trockenstress zu bewältigen.
• Genetische Grundlagen identifizieren: Gene und genetische Regionen finden, die entscheidend zur Trockenheitsresistenz beitragen.

Durch ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pflanze, Boden und Mikroorganismen können gezielt Nutzpflanzen entwickelt werden, die auch unter zunehmender Trockenheit stabile Erträge liefern.

Das hilft dabei:

• Landwirtschaft an den Klimawandel anzupassen
• Ernten langfristig zu sichern
• Ressourcen wie Wasser effizienter zu nutzen

HYDROOT verbindet damit Grundlagenforschung und angewandte Züchtungsforschung zu einem durchgängigen Innovationspfad.

Der Mehrwert für den Freistaat Bayern ist unmittelbar

Mais ist eine tragende Säule der bayerischen Landwirtschaft – als Futterpflanze, Energielieferant und Rohstoff für vielfältige Anwendungen.

Angesichts zunehmender Temperaturschwankungen, häufigerer Starkniederschläge im Winterhalbjahr und verstärkter Trockenperioden während der Vegetations- und insbesondere der Blühphase gewinnt die Anpassungsfähigkeit von Maissorten enorm an Bedeutung.

HYDROOT liefert entscheidende Erkenntnisse zur Entwicklung neuer, stresstoleranter Sorten. Die entwickelten Methoden und Modelle ermöglichen eine gezieltere Selektion auf optimale Kombinationen aus Wurzel- und Mikrobiom-Merkmalen.

Dies trägt bei zu:

• stabileren Erträgen trotz klimatischer Extreme
• effizienterer Nutzung von Wasser und Nährstoffen
• ressourcenschonendem und standortgerechtem Anbau
• langfristiger Sicherung der Ernährung und Wertschöpfung in Bayern

Darüber hinaus stärkt HYDROOT die Sichtbarkeit bayerischer Forschung in gesellschaftlich hochrelevanten Themenfeldern. Die im Projekt aufgebauten Ressourcen, Methoden und Kompetenzen fördern internationale Kooperationen und werden über Publikationen, Tagungen, Datenbanken sowie Lehre und Fortbildung, unter anderem an der TUM, breit zugänglich gemacht.

Mögliche Synergien innerhalb von bayklif2

HYDROOT adressiert einen zentralen Hebel pflanzlicher Produktion: die Optimierung des Wurzelsystems als Schlüssel für Ertrag, Ressourceneffizienz und Stresstoleranz.

Die Identifikation genomischer Regionen und Kandidatengene, die mit neuartigen Wurzel- und Mikrobiom-Merkmalen verknüpft sind, eröffnet mittel- bis langfristig neue Möglichkeiten der Pflanzenverbesserung, nicht nur im Mais, sondern potenziell auch in anderen Kulturarten.

Das Projekt arbeitet eng mit Züchtungsunternehmen zusammen, die Saatgut vermehren und Prüfstandorte in Bayern bereitstellen. Diese Kooperation stellt sicher, dass die entwickelten Methoden praxisnah bleiben und züchtungsrelevante Fragestellungen konsequent adressiert werden.

So entsteht eine Brücke zwischen molekularer Grundlagenforschung und landwirtschaftlicher Anwendung.

HYDROOT erzählt damit die Geschichte einer stillen Revolution unter der Erde, eben dort, wo Wurzeln wachsen, Mikroben wirken und die Widerstandskraft unserer Kulturpflanzen entsteht.