(August 8, 2024) Für die Lösung eines seit langem bestehenden Problems im Bereich der nachhaltigen Landwirtschaft und der Ernährungssicherheit wurde der indisch-amerikanische Pflanzenbiologe Venkatesan Sundaresan mit dem Wolf-Agrarpreis 2024 ausgezeichnet. Dieser prestigeträchtige Preis, der oft als „Nobelpreis für Landwirtschaft“ bezeichnet wird, ist mit einem Preisgeld von 100,000 US-Dollar verbunden.
Reis, ein Grundnahrungsmittel für die Hälfte der Weltbevölkerung, ist relativ teuer, um ertragreiche Hybridsorten zu züchten, was für die Landwirte ein großes Problem darstellt. Das in Berkeley ansässige Innovative Genomics Institute erklärt: „Seit 10,000 Jahren vermehrt sich Reis, das wichtigste Nahrungsmittel der Welt, sexuell, wobei seine DNA mit jeder Generation neu angeordnet wird und oft erwünschte Eigenschaften verloren gehen.“ Der Prozess ist für die Landwirte nicht nur teuer, sondern auch zeitaufwändig.
Venkatesan Sundaresan und sein Team an der University of California-Davis (UC Davis) haben nach jahrelanger Forschung durch einen Prozess namens „Apomixis“ die ungeschlechtliche Vermehrung von Samen in Reispflanzenarten eingeführt – und damit eine lange gesuchte Lösung für das Problem gefunden, exakte Repliken (Klone) von Hybrid-Reispflanzen aus Samen ohne Befruchtung zu erzeugen. "Die daraus resultierenden Ertragssteigerungen können dazu beitragen, den globalen Bedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken, ohne den Einsatz von Land, Wasser und Düngemitteln auf ein nicht nachhaltiges Niveau zu erhöhen“, so der Globaler Inder wurde zitiert in einem der Publikationen seines Arbeitsplatzes, UC Davis.
Dr. Venkatesan Sundaresan in seinem Labor | Bildnachweis: UC Davis
Seine bahnbrechende Entdeckung gilt als eine Revolution in der Landwirtschaft, da seine Methode nicht nur die Kosten für die Landwirte senkt, sondern es ihnen auch ermöglicht, verbessertes Saatgut von einer Saison zur nächsten aufzubewahren.
Ungeschlechtliche Fortpflanzung von Nutzpflanzenarten
Pflanzen sind lebende Organismen und vermehren sich entweder sexuell oder ungeschlechtlich. Bis zu Sundaresans Entdeckung vermehrten sich Reispflanzen ausschließlich sexuell. Sexuelle Fortpflanzung bei Reispflanzen findet statt, wenn Pollen vom männlichen Teil einer Pflanze die Eizelle im weiblichen Teil einer anderen befruchtet. Dadurch wird genetisches Material beider Elternpflanzen kombiniert, um Samen zu erzeugen. Aus diesen Samen wachsen neue Reispflanzen heran, die eine Mischung aus Merkmalen beider Elternpflanzen aufweisen, was zu genetischer Vielfalt führt.
Im Gegensatz dazu ist ungeschlechtliche Fortpflanzung eine Fortpflanzungsart, bei der eine einzelne Pflanze Nachkommen produziert. Die neu entstehenden Pflanzen sind genetisch und physisch identisch mit der Mutterpflanze, was sie praktisch zu Klonen macht.
Venkatesan Sundaresan, sein Postdoktorand Imtiyaz Khanday und ihr Kollegen in Frankreich, Deutschland und Ghana entdeckten, dass ein Reisgen namens „BBM1“ zu einer Familie von Pflanzengenen gehört, die als „Baby Boom“ oder BBM bekannt sind. Sie fanden heraus, dass BBM1 es einer befruchteten Eizelle ermöglicht, einen Embryo zu bilden, der ungeschlechtlich zu einem Klonsamen heranwächst.
Dr. Venkatesan Sundaresan mit Dr. Imtiyaz Khanday | Bildquelle: UC-Regenten
Während bei mehreren Pflanzenarten eine ungeschlechtliche Vermehrung durch Samen vorkommt, wurde sie bei wichtigen Grundnahrungsmitteln wie Reis nicht beobachtet. Sundaresan und sein Team haben diese Methode erfolgreich in ihrem Labor getestet und dabei lebensfähige Samen (Nachkommen) aus Hybridreispflanzen erzeugt. Das bedeutet, dass Landwirte Samen ihrer eigenen Hybridpflanzen neu pflanzen und Jahr für Jahr von hohen Erträgen profitieren können. Man geht davon aus, dass Sundaresans Methode nicht nur den Landwirten hilft, sondern Saatgutunternehmen auch ermöglicht, Hybridsaatgut schneller und in größerem Maßstab zu produzieren.
Gamechanger für Reisbauern
Die Entdeckung von Sundaresan und seinem Team, auf die Pflanzenzüchter und Genetiker seit langem gewartet haben, stellt einen großen Durchbruch dar und erleichtert die weltweite Verbreitung ertragreicher, krankheitsresistenter und klimatoleranter Nutzpflanzen.
Derzeit sind die hohen Kosten für die Produktion von Hybridsaatgut ein erhebliches Hindernis für Landwirte in Entwicklungsländern, insbesondere in Südasien und Afrika. Sundaresan ist überzeugt, dass seine Methode, wenn sie effizient umgesetzt wird, möglicherweise einen Wendepunkt für ärmere Landwirte darstellen könnte. Sie müssten nur einmal Hybridsaatgut kaufen und könnten dann in den folgenden Saisons die Nachkommensamen aus ihrer eigenen Ernte wieder anpflanzen.
„Reis wird in einem so großen klimatischen und geografischen Gebiet angebaut, dass für jede Region spezielle Hybridsorten entwickelt werden müssen“, markiert Sundaresan in einem Interview mit dem Natur Indien Zeitschrift. „Es wird interessant sein zu sehen, wie sich das alles in den kommenden Jahren entwickelt“, fügte er hinzu.
Dr. Venkatesan Sundaresan mit einem seiner Forschungsteammitglieder, Hui Ren | Bildnachweis: UC Davis
Beantwortung einer grundlegenden Frage der Pflanzenbiologie
Sundaresan und sein Team haben grundlegende Fragen der Pflanzenbiologie untersucht, insbesondere wie sich aus einer befruchteten Eizelle eine neue Pflanze entwickelt. Dieses grundlegende Verständnis, kombiniert mit innovativen asexuellen Züchtungstechnologien, ebnet den Weg für Durchbrüche in der Pflanzenzucht, indem es vorteilhafte Eigenschaften bewahrt, die sonst durch sexuelle Fortpflanzung verloren gehen könnten.
Die von Sundaresan und seinem Team entdeckte Methode der „Apomixis“ ermöglicht es, dass eine Pflanze genetisch identisch mit ihrer Mutterpflanze wächst.
„Apomixis bei Nutzpflanzen ist seit über 30 Jahren das Ziel weltweiter Forschung, weil es die Produktion von Hybridsaatgut für jedermann zugänglich machen kann“, sagt Sundaresan. sagte„Insbesondere ist Reis ein genetisches Modell für andere Getreidearten wie Mais und Weizen, die zusammen die wichtigsten Grundnahrungsmittel der Welt darstellen“, bemerkte er. Der Pflanzenbiologe merkte an, dass diese Ergebnisse auf andere derartige Nahrungsmittelpflanzen übertragen werden könnten, sodass der weltweite Index für die Ernährungssicherheit eine Verbesserung verzeichnen würde.
Von Pune in die USA
Der in Indien geborene und aufgewachsene Venkatesan Sundaresan studierte Physik und erwarb seinen Bachelor- und Masterabschluss an der University of Pune und dem Indian Institute of Technology-Kanpur. Anschließend absolvierte er ein Physikstudium an der Carnegie Mellon University.
Später wechselte er für sein Promotionsstudium zu den Biowissenschaften und erlangte einen Ph.D. in Biophysik an der Harvard University, wo er die Regulierung von Stickstofffixierungsgenen in bakteriellen Symbionten von Hülsenfrüchten erforschte. Darauf folgte eine Postdoc-Forschung in Pflanzengenetik an der University of California-Berkeley.
Dr. Venkatesan Sundaresan
Sundaresans erste Anstellung als Dozent war am Cold Spring Harbor Laboratory in New York. Später wurde er Gründungsdirektor des Institute of Molecular Agrobiology (heute Temasek Life Sciences Laboratories) an der National University of Singapore.
Seit 2001 ist der Wissenschaftler Fakultätsmitglied an der UC Davis, wo er auch als Vorsitzender der Abteilung für Pflanzenbiologie und als Programmdirektor des BREAD-Programms tätig war, einer Zusammenarbeit zwischen der National Science Foundation und der Bill & Melinda Gates Foundation. Er war auch Mitglied der Redaktion mehrerer Zeitschriften wie „Genetics“, „Plant Reproduction“, „The Plant Cell“ und „Trends in Plant Science“.
„Der Forschungsschwerpunkt meines Labors liegt auf der Pflanzenreproduktion, insbesondere auf der Genetik und Genomik dieses Prozesses, wobei wir Arabidopsis und Reis als Modellsysteme verwenden. Unser Ziel ist es, die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen und Genom-Editierungstechniken einzusetzen, um die ungeschlechtliche Reproduktion bei Nutzpflanzen zu ermöglichen, was die landwirtschaftlichen Praktiken revolutionieren könnte. Darüber hinaus untersuchen wir Wurzelmikrobiome und erforschen deren Aufbau, Struktur und Funktion“, schreibt Sunderesan auf der Website seines Labors. „Unsere Arbeit befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiom in Reiswurzeln und versucht herauszufinden, wie diese Beziehungen das Pflanzenwachstum und die Dürretoleranz beeinflussen. Mit diesen Studien wollen wir die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Nutzpflanzen verbessern und so zu einer nachhaltigen Landwirtschaft und Ernährungssicherheit beitragen“, erwähnt der Empfänger des renommierten Wolf-Preises für Landwirtschaft 2024.
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