Forschende der Universität Zürich zeigen in einer umfangreichen Feldstudie, dass die Biodiversität innerhalb einer Pflanzenart zur Schädlingsbekämpfung genutzt werden kann. Denn Arten mit verschiedenen Genotypen arbeiten zusammen, um die Angriffe von pflanzenfressenden Insekten abzuwehren, so die Uni.
Pflanzen interagieren mit den Individuen, die sie umgeben – genauso wie Menschen. Wenn verschiedene genetische Typen derselben Art zusammen angepflanzt werden, sind gewisse Kombinationen resistenter gegen Schädlinge und Krankheiten. Dieser positive Effekt auf die biologische Vielfalt wird als assoziative Resistenz bezeichnet. „Die assoziative Resistenz könnte als Anbaumethode, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern und gleichzeitig die Artenvielfalt zu erhalten, Abhilfe schaffen“, sagt Kentaro Shimizu, Direktor des Instituts für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften der Universität Zürich (UZH). UZH-Forschende haben mit Hilfe eines physikalischen Modells eine neue Methode entwickelt, um mögliche Interaktionen zwischen Individuen auf genetischer Ebene vorhersagen zu können.
Bisher gab es keine Analysemethoden, um die Wechselwirkungen auf Stufe des Genoms – der gesamten Erbinformation – zwischen benachbarten Pflanzenindividuen zu untersuchen. Das Team um Dr. Sato entwickelte deshalb ein neues Computerverfahren: eine genomweite Assoziationsstudie namens „Neighbor GWAS“. Diese basiert auf einem Modell der Physik, das zur Analyse von Wechselwirkungen zwischen Magneten verwendet wird. Das Team analysierte damit, wie der Schädlingsbefall durch die Kombination von nebeneinanderstehenden Individuen mit unterschiedlichem Genotyp beeinflusst wird. Parallel dazu berücksichtigten die Forschenden die Ergebnisse der Feldversuche.
Die Analyse zeigte, dass zahlreiche Gene an den Interaktionen mit den umliegenden Individuen beteiligt sind. Mithilfe maschinellen Lernens konnten die Pflanzenwissenschaftler mit dem Modell die Schäden von Pflanzenfressern voraussagen und vorteilhafte Kombinationen von Genotyp-Paaren identifizieren, die über eine assoziierte Resistenz verfügen.
Während zwei Jahren wurde ein weiterer groß angelegter Feldversuch durchgeführt und rund 2.000 Pflanzenindividuen paarweise mit jenen Genotypen angepflanzt, für die drei Stufen der assoziativen Resistenz vorhergesagt wurden. Die Resultate aus dem Feldversuch zeigten, dass – im Vergleich zur Anpflanzung eines einzelnen Genotyps – die Mischung von zwei Genotypen die Schäden durch Pflanzenfresser bei der höchsten bzw. zweithöchsten Stufe assoziativer Resistenz um 24,8 % bzw. 22,7 % verringerte.
„Diese Studie ist ein Meilenstein in der Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Pflanzenindividuen. Sie zeigt, wie wichtig Biodiversität ist: Erstens kann die genetische Vielfalt der Kulturpflanzen selbst den Schädlingsbefall reduzieren. Zweitens tragen weniger Pestizide in der Landwirtschaft dazu bei, die biologische Vielfalt einschließlich der Insekten zu erhalten“, fasst Kentaro Shimizu zusammen.
