Top-Athleten auf dem Acker. Prof. Achim Walter, Institut für Agrarwissenschaften, ETH Zürich

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1 Top-Athleten auf dem Acker Prof. Achim Walter, Institut für Agrarwissenschaften, ETH Zürich

2 Wieviele Menschen kann unsere Erde ernähren? 4-8 Mio Menschen: vor Beginn der Landwirtschaft Heute: ca Mio (Faktor ) Morgen: 9-13 Mrd??

3 Vor Jahren: Domestikation von Pflanzen und Tieren Seitdem: Sesshafte Lebensweise, grössere Populationen möglich Ackerbau und Viehhaltung als Basis unserer Gesellschaft

4 Domestikation der meisten Kulturpflanzen vor bis Jahren Fruchtbarer Halbmond Purugganan & Fuller, 2009

5 Pflanzen sind Grundlage unserer Ernährung Photosynthese Wachstum Produktion spezieller Inhaltsstoffe Konsum Unterschiedliche pflanzliche Systeme Direkter Verzehr Weitere Verarbeitung Nutztiere ernähren

6 Welches sind unsere wichtigsten Top-Athleten?

7 Eigentlich suchen wir die eierlegende Wollmilchsau

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9 Welche sind unsere wichtigsten Kulturpflanzen? Vor allem die Getreide: Mais Weizen Weizen Mais Reis Probleme 1. Handel / Zugang zu d. Produkten 2. Krankheiten / Epidemien 3. Klimawandel 4. Ausbeutung von Ressourcen Hafer Reis Roggen Gerste Hirse Gemeinsam: Drei Arten sorgen für 56% der Gesamtproduktion d. Nahrungsmittel Alle Getreide: Gräser aus der Familie der Poaceae. Wortstamm althochdt. Getregede = alles, was der Acker trägt

10 Vergleich Hauptkulturen Welt EU CH Getreide dominiert den Ackerbau in der Welt und in der Schweiz Walter, Grieder, Last, Keller, Hund, Studer (2014) Agrarforschung Schweiz 5,

11 Warum sind die Getreide so erfolgreich?

12 1.) Wichtige Inhaltsstoffe Photosynthese Kohlendioxid (CO 2 ) Kohlenhydrate Stärke Quelle: SBKV

13 2.) Könige der Anpassung und Effizienz

14 3.) Bearbeitung und Ernte sind einfach

15 Domestikation am Beispiel Weizen: Anpassung einer Wildpflanze an uns durch Selektion und Züchtung

16 Schritte der Entwicklung

17 Weizen: Heute ein global player Herkunft Anbau Anbau weltweit auf nährstoffreichen Böden, v.a. in gemässigten Zonen

18 Wild Einkorn Triticum boeticum Genom: diploid AA 2n = 14 Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007

19 Kultur Einkorn Triticum monococcum Genom: diploid AA 2n = 14 Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007

20 Hybridisierung: Die kompletten Genome zweier Arten werden vereinigt Emmer entsteht Triticum monococcum: Genom AA (2 x 7 Chromosomen) Aegilops speltoides: Genom BB (2 x 7 andere Chromosomen) Zwei diploide Pflanzen spannen zusammen AA BB AA BB

21 Wild Emmer Triticum dicoccoides Genom: tetraploid AA BB 2n = 28 Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Hybridisierung von Genomen: Die kompletten Genome von zwei Arten wurden zusammengefügt!

22 Kultur Emmer Triticum dicoccum weisser Emmer Fotos: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Wichtigstes Getreide im alten Rom blauer Emmer Genom: tetraploid AA BB 2n = 28

23 Hybridiserung Reloaded: Weizen & Dinkel aus drei mach eins Eine Wildform des Emmers (AA BB) und diploide Wildart Aegilops squarrosa (DD): Weichweizen Triticum aestivum (AA BB DD, 42 Chromosomen) bzw. Dinkel (Triticum aestivum ssp. spelta, AA BB DD) Grosse Genome: Enorme Flexibilität für Anpassungen AA BB DD AA BB AA BB DD

24 Weichweizen Triticum aestivum Triticum aestivum, gewöhnlicher Weizen, hexaploid, 2n = 6x = 42, Genom AABBDD, Sorte Probus Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Hybridisierung von 3 Arten

25 Dinkel Triticum aestivum ssp. spelta Triticum aestivum ssp. spelta, Dinkel, hexaploid, 2n = 6x = 42, Genom AABBDD, Sorte Oberkulmer Rotkorn Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Hybridisierung von 3 Arten

26 Genome: Mensch & Getreide Mensch: diploid 46 Chromosomen Gene 3,2 Giga-Basenpaare Weizen: hexaploid 42 Chromosomen Fünfmal grösser Mais: tetra-/diploid 20 Chromosomen Etwa gleich gross Reis: diploid 24 Chromosomen 1/8 so gross

27 Wie haben wir die Getreide trainiert?

28 Moderne Ertragssteigerungen durch: 1.) Optimierung von Fruchtfolgen Zeit Fruchtfolgen: Ab 800 n.chr. Dreifelderwirtschaft Ab 1800 komplexe Fruchtfolgen; optimale Ressourcen-Ausnutzung Typ. Getreide-Erträge: 0,2 t/ha 1 t/ha

29 Ertrag (kg/ha) 2.) Anbau: Empfänglich für mehr Input Grüne Revolution: Düngung Bewässerung Herbizide Züchtung Norman Borlaug Quelle: FAO

30 3.) Moderne Züchtung: Optimierung auf niedrigen Wuchs & hohen Ernte-Index Ernteindex: Verhältnis aus Korngewicht und gesamter Spross-Biomasse zum Zeitpunkt der Ernte

31 Mais Zea mays Herkunft: Mittelamerika Kolben zerbricht nicht Flexibles Genom aus 70% Transposons (können Ort wechseln)

32 Wildform: Teosinte

33 Kreuzungen zwischen Teosinte und Zea Teosinte Teosinte x Maislandrasse Maishybrid

34 Reis Oryza sativa Herkunft: Indien / China Wichtigster Kalorienlieferant Entwicklung von Golden Rice an ETH Zürich (Prof. Potrykus)

35 Zuckerrohr (Saccharum sp.) Familie: Poaceae Ursprung: Südostasien Anbau auf 24 Mio ha Ertrag: Mio t Hauptproduzent: Brasilien (700 Mio t, v.a. Bioethanol) 80% allen Zuckers weltweit C 4 -Pflanze, hohe Photosynthese 35

36 Zentrale Inhaltsstoffe unserer Nahrung 1.) Kohlenhydrate 2.) Eiweisse (Proteine) 3.) Fette und/oder Öle 4.) Vitamine Photosynthese Kohlendioxid (CO 2 ) Kohlenhydrate Stärke 5.) Sekundäre Inhaltsstoffe (Phenole, Anthocyane, ) 6.) Ballaststoffe 7.) Mineralstoffe

37 Zentrale Inhaltsstoffe unserer Nahrung 1.) Kohlenhydrate 2.) Eiweisse (Proteine) 3.) Fette und/oder Öle 4.) Vitamine Luft-Stickstoff Ammonium (NH 4+ ) Aminosäuren Proteine 5.) Sekundäre Inhaltsstoffe (Phenole, Anthocyane, ) 6.) Ballaststoffe 7.) Mineralstoffe

38 Proteingewinnung aus Leguminosen Rhizobien-Symbiose: Bakterien vergesellschaften sich mit Wurzel N 2 der Luft in Bodenporen wird von Bakterien zu NH + 4 metabolisiert Ammonium wird von Pflanze für Aminosäuren-Aufbau genutzt Proteine werden aus Aminosäuren zusammengesetzt Gute Energiequelle für Fabaceen-Samen (Bohnen, Erbsen, Soja, )

39 Leguminose Soja Glycine max

40 Entwicklung Sojaproduktion (Mio t)

41 Globale Verteilung der Sojaprodukion Quelle: FAOSTAT & Agro-MAPS

42 Zentrale Inhaltsstoffe unserer Nahrung 1.) Kohlenhydrate 2.) Eiweisse (Proteine) 3.) Fette und/oder Öle 4.) Vitamine Photosynthese Kohlenhydrate Glycerin + Fettsäuren Energiereichster Speicherstoff 5.) Sekundäre Inhaltsstoffe (Phenole, Anthocyane, ) 6.) Ballaststoffe 7.) Mineralstoffe

43 Raps Brassica napus

44 Ursprung und Verbreitung von Raps Herkunft Anbau

45 Andere Zwecke: Honigproduktion Aus 1 ha Raps können bis zu 50 kg Rapshonig produziert werden.

46 Andere Zwecke: Biodiesel

47 Kartoffel Zuckerrübe Maniok

48 Graslandwirtschaft in der Schweiz Angaben zur idealen Zusammensetzung; Quelle: Prof. Andreas Lüscher, Agroscope Reckenholz

49 Was hat bestimmte Pflanzen so interessant gemacht, dass sie unsere Haupt- Kulturpflanzen wurden? Interessante Inhaltsstoffe für Ernährung (oder technische Zwecke) Möglichkeiten der Weiterentwicklung konnten realisiert werden: Grössere Früchte, höherer Ertrag Anpassung an verschiedene Bedingungen (sicherer Ertrag) Ernte in grossem Stil ermöglichen Züchtung, Kreuzung musste mit diesen Arten möglich sein Anpassungsprozess dauerte lange Pflanzenarten, die mit kaltem Winter & trockenem Sommer zurecht kommen, wurden bevorzugt

50 Kurzer Einblick in meine eigene Forschung an der ETH Zürich 62

51 Pflanzen wachsen höchst dynamisch!

52 Phänotypisierung: Besser verstehen, wie Pflanzen wachsen Walter et al. (2002, Functional Plant Biology)

53 Monokotyle & Dikotyle wachsen unterschiedlich Mais, Eschikon, Juni 2012

54 Monokotyle & Dikotyle wachsen unterschiedlich Kartoffel, Eschikon, Mai 2012

55 Monokotyle & Dikotyle wachsen unterschiedlich Sojabohne, Eschikon, Juli 2012

56 Monokotyle & Dikotyle wachsen unterschiedlich Buchweizen, Eschikon, Juni 2012

57 Neben den Sportlern

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59 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 74 Arbeitsgruppe Prof. Walter, Sommer 2013