Gut fürs Brot und gut fürs Klima
Verbundprojekt MAGIC-KlimaBack
Das Verbundprojekt MAGIC-KlimaBack hat das Ziel, die Backqualität von Weizen neu zu denken und mit modernsten Züchtungs- und Analytik-Methoden den Grundstein für den Backweizen von morgen zu legen. Fünf Partner haben sich dafür zusammengeschlossen: das Max Rubner-Institut, das Julius-Kühn-Institut, die Martin Luther-Universität Halle-Wittenberg, Universität Bielefeld und das Unternehmen KWS SAAT.
Genetische Vielfalt des Weizens begünstigt innovative Anpassungen
Das Genom des Weizens ist sehr komplex, es umfasst rund 17 Milliarden Basenpaare und mehr als 100.000 Gene. Was das Forschen mit der wichtigsten Getreideart in Deutschland besonders anspruchsvoll macht, bietet zugleich eine riesige Chance. Denn: große genetische Vielfalt bedeutet auch große Anpassungsfähigkeit an neue Herausforderungen. Diese Chance wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den kommenden drei Jahren in einem gemeinsamen Projekt nutzen. Ziel ist, durch innovative Methoden der Pflanzenzüchtung die Entwicklung von Weizen mit einer verbesserten Proteinnutzungseffizienz voranzutreiben. Dieser Weizen soll zukünftig dazu beitragen, das Klima um Tausende Tonnen an Treibhausgasen zu entlasten und Brot in Deutschland somit klimaschonender zu erzeugen.
Neue Ansätze zur Reduktion von Düngemitteln
Proteinnutzungseffiziente Sorten sind Sorten, die bei relativ geringem Proteingehalt eine gute Backqualität zeigen. Bisher wird hohe Backqualität von Weizen vor allem mit einem hohen Proteingehalt im Korn assoziiert, der wiederum meist mit einer intensiven Stickstoffdüngung sichergestellt wird. Doch die Erzeugung von Stickstoffdünger und die auf dem Acker entstehenden Lachgas-Emissionen in Folge der Düngung haben einen hohen Anteil an den in der Landwirtschaft ausgestoßenen Treibhausgasen. Neue Untersuchungen der Projektpartner weisen einen möglichen Ausweg aus dem Dilemma: sie konnten zeigen, dass es einzelne Sorten mit einer hohen Backqualität trotz vergleichsweise geringen Proteingehalts gibt. Diese sogenannten Korrelationsbrecher stehen nun im Fokus der Forschung und sollen es zukünftig ermöglichen, Weizen mit hoher Backqualität bei verringertem Einsatz von Stickstoffdünger klimaschonend zu produzieren.
Forschende des MRI koordinieren das Projekt und ermitteln Backqualitätsparameter
Das Projekt wird vom Max Rubner-Institut (MRI) koordiniert. Das Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide am MRI, am Standort Detmold, bringt sich mit seinen Technika und seiner großen Expertise für die Qualitätsbestimmung von Getreide ein. Im Projekt wird der geerntete Weizen nach einem Standardverfahren vermahlen und analytisch hinsichtlich seiner für die Backeignung relevanten Eigenschaften untersucht. Die Backfähigkeit wird über standardisierte Backversuche ermittelt. Die wesentlichen Schritte der Getreideverarbeitung werden dabei abgebildet, so dass die zu erwartenden Ergebnisse die untersuchten Weizengenotypen und ihre Backqualität praxisnah beschreiben. Darüber hinaus werden mithilfe einer flüssigkeitschromatografischen Auftrennung die für Backqualität wichtigen Proteinfraktionen der Gliadine, Glutenine und Glutenin-Makropolymere untersucht, sowie die Stärkequalität bestimmt.
Die Universität Bielefeld übernimmt, zusammen mit dem MRI, die Analyse der Proteine und Stoffwechselprodukte im Weizenmehl. Die generelle Proteinmenge des Weizenmehls ist nicht das Kriterium für eine gute Backqualität. Es müssen die Proteine identifiziert werden, die entscheidend für das Backverhalten sind. Sind solche Proteine identifiziert, können die korrespondierenden Gene leicht ermittelt werden. Dies ermöglicht wiederum der Getreidezüchtung, solche Sorten auszuwählen, die besonders viele dieser gewünschten Proteine enthalten. Die aufwendige Analyse der Proteine und Metabolite, mithilfe unterschiedlicher Methoden der Massenspektrometrie, an der Universität Bielefeld wird durch die neue, sehr gut ausgestattete „Core Facility OMICS“ unterstützt.
Die Verknüpfung der Datenpools des MRI und der Universität Bielefeld liefert Kandidatenproteine, die einen positiven Einfluss auf die Backqualität von Weizen bei relativ geringem Proteingehalt haben. Gleichzeitig sind diese Datenpools essenziell für die Detektion von genetischen Markern für die Backqualität durch den Verbundpartner Martin Luther-Universität Halle-Wittenberg und die Entwicklung neuer, proteinnutzungseffizienterer Weizensorten durch den Verbundpartner KWS SAAT.
Die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) stellt im MAGIC-KlimaBack-Verbund eine neuartige, multi-parentale Winterweizenpopulation und vorhandene Gensequenzdaten bereit. Zugleich wird die MLU das Winterweizensaatgut unter Hoch- und Niedrig-Stickstoffdüngungen in Halle anbauen. Die erhobenen Daten aus dem Feldanbau in Halle (und parallel bei der KWS SAAT) sowie aus den anschließenden Laboranalysen am MRI und an der Universität Bielefeld werden schließlich an der MLU mittels KI-Programmen ausgewertet. Dabei werden Pflanzen und deren Gene identifiziert, die die Backqualität bei gemäßigter Stickstoffdüngung positiv kontrollieren. Diese stehen am Ende des MAGIC-KlimaBack-Projektes für die Züchtung von Korrelationsbrechern mit reduziertem Stickstoffbedarf bei hoher Weizenbackqualität bereit.
KWS SAAT wird großflächige Feldversuche durchführen und Saatgut unter konventionellen und ökologischen Bedingungen in der gleichen Umwelt produzieren, um für die Forschung vergleichbare Ergebnisse sicherzustellen.
Das Julius Kühn-Institut (JKI) bewertet im Verbund das Treibhausgas-Minderungspotenzial neuer proteinnutzungseffizienter Weizensorten. Mittels prozessbasierte Agrarökosystemmodelle wird das Zusammenspiel von Genotyp, Management und Umwelt beim Anbau von Backweizen deutschlandweit über viele Jahre simuliert. So werden für verschiedene Regionen vielversprechende Anbauverfahren und Düngestrategien für bekannte Sorten und vergleichend für zukünftige proteinnutzungseffiziente Sorten untersucht. Die zu erwartenden Erkenntnisse sollen helfen, die Treibhausgas-Minderungspotenziale künftig möglichst effektiv erschließen zu können.
Ziel: Klimaschutz in der Landwirtschaft fördern
Das Projekt MAGIC-KlimaBack ist am 1. September 2024 gestartet und läuft bis Dezember 2027. Das Vorhaben mit dem vollständigen Titel „Erhöhung der Protein-Nutzungseffizienz bei Backweizen durch innovative Züchtungsforschung an der MAGIC-WHEAT-Population WM-800 für effektiven Klimaschutz in der Getreidewertschöpfungskette“ wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Klimaschutz in der Landwirtschaft“ gefördert. Mit dem 2023 gestarteten Forschungs- und Innovationsprogramm fördert das BMEL Projekte, die dazu beitragen sollen, die Treibhausgas-Emissionen in der Landwirtschaft zu mindern.