Physiologische Untersuchungen zur reproduktiven Kältetoleranz beitragender Mechanismen bei Sorghum (Sorghum bicolor L. Moench)

Abstract

Die aus den semiariden Regionen Afrikas stammende Sorghumhirse (Sorghum bicolor) birgt ein hohes Potential für die Ausweitung des Anbaus in die gemäßigten Breiten: eine hohe Wasser- und Nährstoffnutzungseffizienz, vielseitige Nutzungsmöglichkeiten, Resistenz gegen den Maiswurzelbohrer und ein mit Mais vergleichbares Ertragspotenzial mit deutlichen Vorteilen unter Trockenstress. Für eine Etablierung in den gemäßigten Regionen Europas stellt die Kälteempfindlichkeit im reproduktiven Stadium eine zentrale Hürde dar. Daraus ergibt sich ein klarer Forschungs- und Züchtungsbedarf, der ein physiologisches Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen voraussetzt. Es konnte bestätigt werden, dass die frühe reproduktive Phase ist bei Sorghumhirse das empfindlichste Zeitfenster gegenüber Kälte. Ein zentrales Ergebnis ist zudem die Relativierung der in der Literatur beschriebenen, durch Kälte eingeschränkten Pollenfertilität mit einhergehenden Ertragsverlusten. Entgegen früherer Annahmen gingen bei den untersuchten Genotypen Ertragsminderungen nicht zwingend mit verringerter Pollenfertilität einher. Zusätzliche Bestäubungsexperimente zeigten, dass die männliche Komponente nicht der erstlimitierende Faktor ist. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass Kälte den Ertrag nicht primär über eine eingeschränkte Pollenfertilität begrenzt wir, sondern dass das weibliche Blütenorgan vermutlich stärker als bisher angenommen zur kälteinduzierten Ertragsdepression beitragen könnte. Auf hormoneller Ebene konnte außerdem gezeigt werden, dass der kältetolerante Genotyp in der Lage ist, Abscisinsäure unter Kältestress niedrig zu halten, während der empfindliche Genotyp höhere Konzentrationen aufweist. Im Unterschied zu Reis lässt sich der dort postulierte Mechanismus, das hohe Abscisinsäure-Gehalte und ein zu geringer Pool an bioaktiven Gibberellinen zu einer gestörten Pollenentwicklung führen, für Sorghum nicht bestätigen. Zusätzlich wurde ein antagonistischer Zusammenhang zwischen Gibberellinsäure und Jasmonsäure beobachtet, welcher durch Kältestress nicht beeinträchtigt wurde. Reproduktive Kältetoleranz ist ein komplexes, polygenes Merkmal. Hinsichtlich der Vererbung zeigen F1-Hybriden keine überwiegenden maternalen oder paternalen Effekte, was für eine biparentale Vererbung spricht und somit gegen die Möglichkeit, Toleranz ausschließlich in einem heterotischen Pool zu fixieren. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der reproduktiven Kältetoleranz in Sorghum bicolor. Des Weiteren eröffnen sie Perspektiven für künftige Forschungs- und Züchtungsarbeiten hinsichtlich kältetoleranter und ertragsstabiler Sorghumsorten für die Ausweitung des Anbaus in gemäßigte Breiten, insbesondere vor dem Hintergrund globaler Ernährungs- und Ressourcenherausforderungen.