Beginnend in 2015, Rodale Institute begann mit Gewächshausstudien, um festzustellen, ob Pflanzen gezüchtet werden können, um Unkraut zu tolerieren. In diesen Studien wird das Potenzial der Unkrautexposition zur Induktion unkrauttoleranter Pflanzen bewertet, basierend auf der Erkenntnis, dass der Wettbewerb um Licht eine Schlüsselrolle für die Pflanzenleistung spielt.
Es wird angenommen, dass die Leistung der Nachkommen (oder Nachkommen) von Testpflanzen, die demselben biotischen Stress ausgesetzt sind (Stress, der durch Schäden an Pflanzen durch andere lebende Organismen wie Unkraut entsteht), höher ist als bei Elternpflanzen. Das Experiment ist als eins zu drei faktorielles, vollständig randomisiertes Blockdesign konzipiert, das dreimal repliziert wurde. Haferpflanzen werden in Behältern gepflanzt, die von einjährigem Weidelgras oder Rotwurzelschweinkraut umgeben sind, wobei Haferpflanzen oder Erde als Kontrolle dienen (Abbildung 1).
Sämlinge von Testkulturpflanzen werden auf eine Pflanze pro Behälter verdünnt. Agronomische Daten zur Pflanzenhöhe, Anzahl der Blätter jeder Pflanze und Blattflächenmessungen werden jede Woche von den Testpflanzen gesammelt. Unkräuter werden regelmäßig geschnitten, um die Reaktion auf die Vermeidung von Schatten auf Änderungen des Lichtspektrums und nicht auf die tatsächliche Schattierung zu begrenzen. Bei der Pflanzenreife werden Pflanzenbiomasse und Getreideertrag gemessen. Samen von F2- und F3-Nachkommen von Kulturpflanzen, die zwei verschiedenen Unkrautarten ausgesetzt sind, werden im Vergleich zur F1-Elterngeneration auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen Unkräuter getestet. Tests werden in den Bereichen Gewächshaus und Forschung unter durchgeführt Rodale Institute und andere kooperierende Institutionen wie die University of Wyoming.
Wissenschaftliche Grundlage der Studie
Die Fähigkeit von Pflanzen, auf krankheitsverursachende Krankheitserreger zu reagieren, indem sie systemische Resistenz erlangen, wenn sie diesen Krankheitserregern ausgesetzt werden, wurde umfassend untersucht (Casal, 2012; Slaughter et al., 2012). Frühere Untersuchungen mit Arabidopsis (einem Mitglied der Senffamilie) haben ergeben, dass solche erworbenen Abwehrkräfte bei den Nachkommen sogar noch ausgeprägter sein können als bei der Elternpflanzenpopulation (Slaughter et al., 2012), ähnlich wie bei der Impfung eines Elternteils und bei der Immunität Kinder (Coombs, 2012). Die Fähigkeit von Unkräutern, auf ähnliche Weise unkrautresistente Pflanzenarten zu induzieren, wurde noch nicht nachgewiesen.
Es ist allgemein bekannt, dass Pflanzen erkennen können, wenn andere Pflanzen in ihrer Nähe sind, eine Reaktion, die als Schattenvermeidung bezeichnet wird (Holmes und Smith, 1977).
Die Reaktion zur Vermeidung von Schatten wird auf die Fähigkeit der Pflanzen zurückgeführt, Änderungen im Lichtspektrum innerhalb des Baldachins einer Population von Pflanzenarten zu erkennen, die zusammenwachsen. Da Pflanzen rotes Licht für die Photosynthese absorbieren, wird ein Teil des Lichtspektrums im nahen Infrarot reflektiert, der für die Photosynthese nicht benötigt wird. Pflanzen erfassen diese Änderungen im Lichtspektrum, wie z. B. einen erhöhten Anteil von Licht im nahen Infrarot im reflektierten Licht, indem sie eine Reaktion zur Vermeidung von Schatten auslösen (Slaughter et al., 2012).
Diese Vermeidung kann als vorbeugende Reaktion der Pflanzen auf den bevorstehenden ressourcenabhängigen Wettbewerb angesehen werden (Casal, 2012). Die Reaktion aktiviert physiologische Mechanismen innerhalb der Pflanze, die ihre Fitness in einem Wettbewerbsumfeld erhöhen, wie z. B. eine erhöhte Stammverlängerung, eine verringerte Verzweigung und eine frühe Samenproduktion (Franklin und Whitelam, 2005).
Eine Reaktion auf Schattenvermeidung kann jedoch Opportunitätskosten verursachen, wenn sie in einem nicht wettbewerbsorientierten Umfeld ausgedrückt wird (Casal, 2012). Zum Beispiel kann die Produktivität von Pflanzen, die zu Beginn der Saison Schattenvermeidungsreaktionen auf Unkräuter ausdrücken, sinken, selbst wenn Unkräuter später entfernt werden, nachdem die Pflanzen bereits „vorbereitet“ sind, um auf die Konkurrenz zu reagieren.
Diese Studie zielt darauf ab festzustellen, ob: 1) diese Reaktionen vererbbar sind und 2) die Nachkommen gegenüber Unkräutern toleranter machen können, ohne ihre Produktivität zu beeinträchtigen, ähnlich wie die systemisch erworbene Resistenzreaktion von Pflanzen gegen Krankheitserreger.
Vorläufige Ergebnisse
Diese Studie wird in Zusammenarbeit mit Dr. Andrew Kniss, außerordentlicher Professor für Unkrautforschung an der Universität von Wyoming in Laramie, durchgeführt. Dr. Kniss teilte uns kürzlich sehr interessante vorläufige Ergebnisse ihres Experiments mit.
In ihrer Studie wurde Weizen (sie verwenden Weizen anstelle von Hafer) in Behältern angebaut, die entweder von Grasgras oder von Erde in der Elterngeneration (F1) umgeben waren, wie oben beschrieben. Weizensamen aus der elterlichen (F1) Generation wurden gespeichert und in Behälter gepflanzt, die von Unkraut oder Erde umgeben waren, so dass sie alle möglichen Kombinationen von Unkraut / Boden-Umgebungen für die 1. Generation und die 2. Generation (Boden dann Boden; Boden dann Unkraut; Unkraut) aufwiesen dann Erde; Unkraut dann Unkraut).
Dr. Kniss sammelte und analysierte Daten zum Prozentsatz der Weizenköpfe der zweiten Generation (F2 oder Nachkommen) zu Beginn des Überschriftenprozesses. Die Daten zeigten, dass 63% und 75% der Weizennachkommen Unkräutern bzw. Erde ausgesetzt waren, deren Eltern Unkräutern ausgesetzt waren (Tabelle 3). Die Nachkommen von Weizen, deren Eltern keinen Unkräutern ausgesetzt waren, hatten eine Überschrift von 0% und 13%, wenn sie Unkräutern bzw. Erde ausgesetzt waren (Tabelle 3).
Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass das Datum der Überschrift in der Geldernte der zweiten Generation (Weizen) maßgeblich von der Wachstumsumgebung der vorherigen Generation beeinflusst wurde als in der aktuellen Wachstumsumgebung (Tabelle 2) - der stärkste Beweis, den wir bisher gezeigt haben, dass die Reaktion zur Vermeidung von Schatten auf Unkrautexposition vererbbar ist!
Aufgrund der begrenzten Gewächshausfläche und des Saatguts aus früheren Studien wurde unsere Forschung bei Rodale Institute wurde noch nicht erweitert, um alle möglichen Kombinationen unserer Hafer- / Unkraut-Begleitbehandlungen zu untersuchen. Bisher waren Nachkommengenerationen derselben Umgebung ausgesetzt wie Elterngenerationen. Vorläufige Ergebnisse dieser Experimente waren zwischen den Behandlungen statistisch nicht signifikant.
Die Ergebnisse zeigten jedoch einen Trend, der darauf hinweist, dass Haferpflanzen der zweiten Generation, die jährlichen Weidelgrasunkräutern ausgesetzt waren, größer waren als die Kontrollen (Hafer-Hafer oder Hafer-Boden) (Abbildung 4). Es gab keinen statistischen oder numerischen Unterschied in der Pflanzenhöhe zwischen den drei Behandlungen in Haferpflanzen der ersten Generation (Abbildung 3). Diese Ergebnisse stimmen mit denen aus Wyoming überein, da sie auch darauf hindeuten, dass die Erzeugung von Nachkommen ihre Reaktion zur Vermeidung von Schatten auf das Vorhandensein von Unkraut geerbt und verstärkt hat.
Wenn mehr Gewächshausraum gesichert ist, wird die nächste Phase dieses Experiments alle möglichen faktoriellen Behandlungen von Hafer- / Unkrautbegleitern für Hafersamen der zweiten und dritten Generation umfassen. Wir werden dann mit den Feldtests fortfahren.
Emmanuel Omondi, Ph.D. ist der assoziierte Wissenschaftler und Direktor der Versuch mit landwirtschaftlichen Systemen at Rodale Institute.