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Improved harvest for small farms thanks to naturally cloned crops
Bessere Ernte für Kleinbauern dank klonaler Vermehrung von Nutzpflanzen


Zurich, Switzerland
January 28, 2016

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20 different properties were measured and tested to see if they changed from one plant generation to the next. (Image UZH) 

As hybrid plants provide a very high agricultural yield for only one generation, new hybrid seeds need to be produced and used every year. However, natural cloning via seeds might enable the efficiency of such plants to be passed on unchanged. For the first time in experiments, researchers from the University of Zurich have now demonstrated that this nearly 80-year-old idea actually works. This may open up fresh possibilities for both seed producers and small farms in the Third World. 

In today’s agriculture, hybrid plants are crucial for the sufficient production of food, feed, fuel and fiber. These crosses between two different varieties are deemed particularly hardy and far more productive than their thoroughbred parent generations. Thanks to hybrid plants, the harvests from types of cereal crop, such as corn, can be more than doubled. However, the positive properties are already lost in the next generation, which is why hybrid seeds need to be reproduced annually. These crosses are costly and time-consuming and farmers are reliant on new seeds every year.

Back in the 1930s, two Russian scientists came up with a proposal to simplify this elaborate process: If the first generation of crosses, the so-called F1 hybrid, were able to reproduce asexually, it would retain their increased efficiency. Some plant species naturally reproduce by cloning their seeds, which is referred to as apomixis. The theory that apomixis might preserve the properties of hybrid plants, however, had never been tested in an experimental setup – until now: Professor Ueli Grossniklaus and his team from the Department of Plant and Microbial Biology at the University of Zurich have found proof. 

Key contribution towards apomixis research

“Based on hybrid plants that reproduce apomictically, we demonstrated that the offspring also exhibit the desired biological properties,” explains first author Dr. Christian Sailer. “We managed to fix the hybrids’ particular efficiency.” The plants achieve the same size and yield for at least two more generations. This is in stark contrast to the individual plants of the following generation of conventional F1 hybrids used in agriculture, which differ significantly. Sailer’s publication is a key, much-anticipated contribution towards apomixis research and its potential application as it was previously unclear whether the fixation of the genotype would suffice to preserve the advantageous properties of hybrids for generations. 

For their experiments, the research team created 11 new hybrids using natural apomictic mouse-ear hawkweed (Hieracium pilosella) and reproduced them for two generations through the natural cloning of the seeds. 20 different properties were measured and tested to see if they changed from one plant generation to the next. Moreover, both generations of the same clone were grown in the greenhouse at the same time to expose them to the same environmental conditions and exclude various factors, such as temperature, water and light.

More affordable and hardy seeds for small farms

“If this special reproduction method could be used in crops, it would slash the cost of producing F1 hybrid seeds,” explains Professor Ueli Grossniklaus. “It’s not just seed producers who stand to benefit, but also subsistence farmers in developing countries.” Nowadays, these small farmers usually use less productive native crops for their own personal use. Apomictic reproduction would offer them more affordable access to more productive and hardy hybrid strains. And they would be able to use the seeds from the current harvest for sowing the following year without affecting the yield. According to Grossniklaus, however, its actual use in crops still needs to be tested in detail.

Literature:

Christian Sailer, Bernhard Schmid, Ueli Grossniklaus. Apomixis allows the transgenerational fixation of phenotypes in hybrid plants. Current Biology, January 28, 2016. Doi: 10.1016/j.cub.2015.12.045


Bessere Ernte für Kleinbauern dank klonaler Vermehrung von Nutzpflanzen

Hybridpflanzen werfen nur für eine Generation einen sehr hohen, landwirtschaftlichen Ertrag ab. Jedes Jahr muss deshalb neues, hybrides Saatgut hergestellt und verwendet werden. Durch klonale Vermehrung könnte die Leistungsfähigkeit solcher Pflanzen jedoch unverändert weitervererbt werden. Forscher der Universität Zürich haben erstmals experimentell bewiesen, dass diese fast 80jährige Idee funktioniert. Damit könnten sich neue Möglichkeiten sowohl für Saatgutproduzenten wie für Kleinbauern der Dritten Welt eröffnen. 

Hybridpflanzen sind in der heutigen Landwirtschaft äusserst wichtig für die ausreichende Herstellung von Nahrung, Futtermittel, Treibstoff und Kleidung. Diese Kreuzungen aus zwei unterschiedlichen Sorten gelten als besonders robust und weit leistungsfähiger als ihre reinen Elterngenerationen. Dank Hybridpflanzen können die Erträge von Getreidearten wie Mais mehr als verdoppelt werden. Allerdings gehen die positiven Eigenschaften in der nächsten Generation bereits wieder verloren, weshalb Hybridsamen jedes Jahr neu hergestellt werden müssen. Diese Kreuzungen sind kosten- und zeitintensiv und die Bauern sind auf jährlich neues Saatgut angewiesen.

Bereits in den 1930er Jahren schlugen zwei russische Wissenschaftler vor, wie dieser aufwändige Prozess vereinfacht werden könnte: Könnte sich die erste Mischlingsgeneration, der sogenannte F1-Hybrid, ungeschlechtlich fortpflanzen, bliebe ihre erhöhte Leistungsfähigkeit erhalten. Einige Pflanzenarten beherrschen die Vermehrung durch natürliches Klonen der Samen, das als Apomixis bezeichnet wird, bereits von Natur aus. Die Theorie, dass Apomixis die Eigenschaften von Hybridpflanzen bewahren kann, wurde jedoch nie experimentell getestet – bis jetzt: Prof. Ueli Grossniklaus vom Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich hat mit seinem Team nun den Beweis erbracht.

Wichtiger Beitrag zur Apomixisforschung

«Wir weisen bei apomiktisch vermehrten Hybridpflanzen nach, dass auch die Nachkommen die gewünschten biologischen Eigenschaften behalten. Wir konnten die besondere Leistungsfähigkeit der Hybride fixieren», erklärt Erstautor Dr. Christian Sailer. Die Pflanzen erzielen über zumindest zwei weitere Generationen die gleiche Wuchsgrösse und den gleichen Ertrag. Bei konventionellen F1-Hybriden, die in der Landwirtschaft verwendet werden, hätten sich dagegen die Individuen der nächsten Generation stark voneinander unterschieden. Die Publikation von Sailer ist ein lang erwarteter, wichtiger Beitrag zur Apomixisforschung und deren potentielle Anwendung. Denn bisher war unklar, ob die Fixierung des Genotyps ausreicht, um die überlegenen Eigenschaften von Hybriden über Generationen hinweg zu erhalten.

Für ihre Versuche hat das Forscherteam mit dem natürlich vorkommenden apomiktischen Mausohrhabichtskraut (Hieracium pilosella ) elf neue Hybride durch Kreuzungen hergestellt und diese über zwei Generationen durch natürliches Klonen der Samen vermehrt. Es wurden 20 verschiedene Eigenschaften gemessen und getestet, ob diese sich von einer Pflanzengeneration zur nächsten verändert haben. Zudem wurden beide Generationen derselben Klone zur selben Zeit im Glashaus gezogen, damit sie den gleichen Umweltbedingungen ausgesetzt waren und unterschiedliche Faktoren wie Temperatur, Wasser, Licht etc. ausgeschlossen werden konnten.

Günstigeres und robusteres Saatgut auch für Kleinbauern

«Wenn dieser spezielle Vermehrungsweg in Kulturpflanzen Verwendung findet, würde dies die Kosten zur Herstellung von F1-Hybridsamen dramatisch reduzieren. Dadurch würden nicht nur die Saatgutproduzenten profitieren, sondern auch die Subsistenzbauern in den Entwicklungsländern», erklärt Prof. Ueli Grossniklaus. Heute verwenden diese Kleinbauern meist wenig ertragreiche Landrassen für den Eigenbedarf. Dank der apomiktischen Fortpflanzung hätten sie einen günstigeren Zugang zu ertragsreicheren und robusteren Hybridsorten. Und sie könnten ohne Ertragseinbussen die Samen der jetzigen Ernte für die Aussaat im nächsten Jahr verwenden. Allerdings müsste zuvor die tatsächliche Anwendung in Kulturpflanzen noch im Detail getestet werden, so Grossniklaus.

Literatur:

Christian Sailer, Bernhard Schmid, Ueli Grossniklaus. Apomixis allows the transgenerational fixation of phenotypes in hybrid plants. Current Biology, 28. Januar 2016. Doi: 10.1016/j.cub.2015.12.045



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Website: http://www.uzh.ch/index.html

Published: January 28, 2016


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