Anpassung an den Klimawandel

Anpassung an den Klimawandel durch pflanzenzüchterische Maßnahmen in der Weizenproduktion in Deutschland

Im Zuge des globalen Klimawandels zeichnen sich auch auf regionaler Ebene bedeutsame Veränderungen ab. Mit globalen Klimamodellen wird prognostiziert, dass die globale Mitteltemperatur bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um ca. 2-5° C ansteigen wird. Welche Bedeutung diese Entwicklung für bestimmte Regionen in Deutschland hat, kann allerdings nur im Rahmen von umfangreichen Szenarien- und Sensitivitätsanalysen abgeschätzt werden. Einige Regionen werden tendenziell trockener werden, während für andere Regionen erhöhte Niederschlagsmengen zu erwarten sind. Insgesamt ist mit einer Zunahme witterungsbedingter Extremereignisse zu rechnen. Die landwirtschaftliche Produktion ist naturgemäß stark von Klimaschwankungen betroffen, und die züchterische Anpassung der Kulturpflanzen an längerfristige Klimatrends verlangt nach Investitionen in Forschung und Entwicklung, um das genetische Potential der Pflanzen zielgerichtet nutzen zu können.

Dieses Projekt konzentriert sich auf den hexaploiden Saatweizen, da Weizen hinsichtlich der Flächennutzung und der Produktion in Deutschland und Europa die wichtigste Feldfrucht ist und eine zentrale Bedeutung für die Nahrungsmittelproduktion und die Futtermittelerzeugung hat. Zudem spielt der Handel mit Weizen aufgrund einer prognostizierten steigenden Nachfrage auf den internationalen Agrarmärkten eine wichtige Rolle. Wie der Sommer 2003 mit seiner lang anhaltenden Hitzeperiode gezeigt hat, kann der zu erwartende Klimawandel langfristig erhebliche Ertragseinbußen mit sich bringen. Die Stabilisierung der Erträge sowie Produktivitätszuwächse werden zukünftig in erster Linie durch die Entwicklung neuer Sorten getragen. In den letzten Jahren lag die jährliche Produktionssteigerung insbesondere im kontinentaleren Klima Bayerns allerdings bei nahezu Null.

Ein Hauptgrund hierfür dürfte die zunehmende Frühsommertrockenheit sein, die zu einem vorzeitigen Ende der Kornfüllungsphase führt. Sollte durch veränderte klimatische Bedingungen die Weizenproduktion in Deutschland weiter beeinträchtigt werden, hätte dies auch erhebliche volkswirtschaftliche Auswirkungen. Durch die frühzeitige züchterische Anpassung an die zu erwartenden klimatischen Veränderungen sollen die Voraussetzungen für die Entwicklung von Sorten mit guter Resistenz gegen abiotischen Stress gelegt werden. Das Ziel des Projekts besteht darin, kosteneffiziente Anpassungsmöglichkeiten an den Klimawandel im Rahmen der Pflanzenzüchtungsforschung zu finden. Ein besonderer Fokus soll hierbei auf der Blühzeitverfrühung bei Winterweizen liegen, um der zunehmenden Frühsommertrockenheit zu begegnen. Es soll untersucht werden, ob neue Sorten mit einem frühzeitigen Blühzeitpunkt unter veränderten klimatischen Rahmenbedingungen Wettbewerbsvorteile in der Weizenproduktion erzielen und positive Rückwirkungen auf ein nachhaltiges Produktionssystem erwarten lassen. Im Rahmen der Anpassung an den Klimawandel sollen auch Substitutionsmöglichkeiten innerhalb der EU sowie die Auswirkungen auf den Handel mit Drittländern einbezogen werden.

Zwei Schwerpunkte sollen in diesem Projekt bearbeitet werden:
(1) Welcher Anpassungsdruck ist für die Weizenproduktion in Deutschland aufgrund des Klimawandels für den Zeitraum 2030 bis 2050 zu erwarten?

Für die Ermittlung des Anpassungsdrucks auf die Weizenproduktion in Deutschland werden regionale Klimaszenarien herangezogen, die die Ergebnisse von grobskaligen, globalen Modellen auf die regionale Ebene herunterskalieren. Dabei gibt es erhebliche Unsicherheiten, nicht nur bezüglich der aggregierten Ergebnisse verschiedener Modelle, sondern vor allem auch bezüglich der regionalen und saisonalen Verteilung von Niederschlag, Temperatur und Strahlung. Diese Unsicherheiten werden im Rahmen verschiedener Szenarien und der entsprechenden Wahrscheinlichkeiten abgebildet. Zur Stärkung der Belastbarkeit simulierter Klimaänderungen ist eine quantitative Abschätzung möglicher Abweichungen von modellierten und beobachteten Klimamustern erforderlich. Hierzu werden Vergleiche zwischen mehreren regionalen Klimasimulationen und verschiedenen Beobachtungsdatensätzen für eine Reihe von Klimaparametern ausgewertet.

Angetrieben von den verschiedenen regionalen Klimaszenarien, werden dann mit einem dynamischen Vegetationsmodell verschiedene Stressindikatoren abgeleitet, die die Auswirkungen der Klimaänderungen auf die natürliche Vegetation sowie die wichtigsten Feldfrüchte widerspiegeln. Die ermittelten Stressindikatoren werden mit einer räumlichen Auflösung von ca.15x15km berechnet und in einer Karte für Deutschland dargestellt. 

Die räumlich explizit ermittelten Produktionseffekte werden für ganz Deutschland zusammengefasst, und somit werden die Angebotseffekte auf den inländischen Märkten ermittelt. Um zusätzliche Handelseffekte abzuschätzen, muss hinsichtlich der langfristigen Entwicklungen auf den internationalen Agrarmärkten mit Szenarien gerechnet werden. Als Ergebnis lassen sich die ökonomischen Auswirkungen der Klimaänderungen für Deutschland berechnen. Qualitätseffekte und Beschäftigungseffekte werden in konsistenten Nebenrechnungen ermittelt.

(2) Welche Anpassungsmöglichkeiten und -strategien können durch pflanzenzüchterische Maßnahmen entwickelt bzw. verbessert werden?

In diesem Projekt wird der Fokus auf der züchterischen Anpassung des Kulturweizens gegenüber dem abiotischem Stresskomplex Dürre/Hitze liegen. Zu den wichtigsten Mechanismen zur Vermeidung von Wasser- und Hitzestress gehört das Abreifen der Pflanzen vor Ein-setzen der Hitze-/Trockenperiode. In diesem Projekt wird daher das genetische Potential zur Blühzeitverfrühung von Winterweizen untersucht. In der Literatur wurden bereits drei wichtige Gruppen von Genen beschrieben, die einen erheblichen Einfluss auf den Blühzeitpunkt beim Weizen haben: Vernalisationsgene (Vrn), Photoperiodismusgene (Ppd), und Gene für eine Frühreife per se (Eps).

Zur Potentialermittlung einer Blühverfrühung von Winterweizen werden im vorliegenden Projekt bekannte Gene in Sorten/Linien erfasst und mit molekulargenetischen Methoden sowohl neue monogenische als auch quantitative Merkmale (quantitative trait loci, QTL) mit Einfluss auf den Blühzeitpunkt untersucht. Zudem wird angestrebt wichtige Komponenten, die zu einer Blühzeitverfrühung führen, unter Einsatz von DNA-Markern zu kombinieren. Zu diesem Zweck werden europäische Winterweizensorten auf vorhandene Unterschiede bezüglich des Blühzeitpunktes sowohl phänotypisch als auch genotypisch charakterisiert. Zudem werden Linien/Sorten aus einem CIMMYT-Zuchtprogamm (International Centre of Maize and Wheat Improvement, Mexico) und deutsche Sommerweizensorten als potentielle Donoren für Gene, die zu einer Blühzeitverfrühung führen, untersucht. Das genetische Potential der CIMMYT Linien soll über Kreuzungen zunächst in die deutschen Sommerweizensorten eingebracht und anschließend im neuen genetischen Hintergrund phänotypisch und molekulargenetisch untersucht werden. Zu diesem Zweck werden doppelhaploide Kartierungspopulationen entwickelt. Die aussichtsreichsten doppelhaploiden Linen dieser Kreuzungen sollen genutzt werden, um wiederum über Kreuzungen und Rückkreuzungen in Kombination mit einer markergestützten Selektion Gene zur Blühzeitverfrühung in den Winterweizen zu übertragen.

Abschließend werden die Kosten für langfristige Züchtungsprogramme abgeschätzt und den dadurch vermiedenen Produktions- und Angebotsausfällen gegenübergestellt. Die interne Verzinsung der pflanzenzüchterischen Innovationen und Maßnahmen wird als Indikator für die gesamtwirtschaftliche Vorteilhaftigkeit der Pflanzenzüchtungsforschung herangezogen. http://www.klimazwei.de