Klimaresiliente Gerste dank MKK3-Varianten

Wissenschaftler des IPK in Gatersleben haben entschlüsselt, wie kleine Veränderungen im MKK3-Gen Ernteverluste infolge vorzeitiger Keimung verhindern und die Züchtung resilienter Gerstenlinien erleichtern können. Die Züchtungsforscher um Erstautor Morten Jørgensen untersuchten dafür die genetische Variation von MKK3 (Mitogen-aktivierte Proteinkinase-Kinase 3) in wildem und domestiziertem Gerstenmaterial.

Korndormanz ist ein entscheidendes Merkmal bei Getreide. Sie bestimmt, wie lange Samen ruhen, bevor sie keimen. Wildgerste nutzt Dormanz, um unter unvorhersehbaren Bedingungen zu überleben. Domestizierte Gerste keimt schneller. Das steigert die Erträge. Gleichzeitig erhöht eine kurze Dormanz das Risiko der Vorerntekeimung (Pre-Harvest Sprouting, PHS). Diese entsteht, wenn Körner bei warmem, feuchtem Wetter zu früh keimen. Weltweit verursacht dies jährliche Ernteverluste von über 1 Mrd. US-Dollar. Mit dem Klimawandel und häufigeren Extremwetterereignissen wird PHS noch relevanter.

Die gezielte menschliche Selektion von Korneigenschaften wie Dormanz hat die Entwicklung von Kulturpflanzen entscheidend geprägt. Eine kurze Dormanz sorgt für die schnelle, gleichmäßige Keimung nach der Ernte. Doch bisher war wenig bekannt darüber, wie, warum, wann und wo die Diversifizierung der Dormanz bei Getreide entstanden ist.

Das polyploide Genom domestizierter Gerste trägt oft mehrere Kopien des MKK3-Gens. Diese Kopienzahlvariation, kombiniert mit den Aminosäureunterschieden, sorgt für die Feinabstimmung der Dormanz. Diese wird somit durch ein Mosaik von MKK3-Haplotypen gesteuert, die sowohl Kopienzahl als auch Kinaseaktivität des Proteins umfassen.

Unterschiedliche MKK3-Haplotypen haben sich weltweit an lokale Klimata und landwirtschaftliche Praktiken angepasst:

• In Nordeuropa entstanden hyperaktive Varianten, die Dormanz reduzieren und die Braugerstequalität verbessern.

• In feuchten, monsungeprägten Regionen Ostasiens blieb die Dormanz hoch, um PHS zu vermeiden.

Die genetische Vielfalt von MKK3 erschwert klassische Züchtungsprogramme. Pangenomische Ansätze erfassen die gesamte genetische Variabilität einer Art. Sie ermöglichen die Identifikation seltener oder regionaler Genvarianten, die gezielt in moderne Sorten eingebracht werden können. Dies schafft resiliente und ertragreiche Gerste, die an Klimawandel und Extremwetter angepasst ist.

Die Studie zeigt, dass MKK3-Varianten die Balance zwischen Korndormanz, Ertrag und Qualität steuern. Historische Selektion bestimmter Haplotypen spiegelt die Anpassung an klimatische Bedingungen wider. Die Kombination aus Haplotypenforschung, Pangenom-Analyse und detaillierter MKK3-Genetik eröffnet neue Wege für die Züchtung klimaresilienter Gerste. Damit lässt sich die Vorerntekeimung deutlich reduzieren, während Ertrag und Qualität erhalten bleiben.