Elk jaar gaan er wereldwijd miljarden dollars aan gewassen verloren als gevolg van pre-harvest kiemen (PHS), waarbij granen en zaden op de plant beginnen te ontkiemen voordat ze worden geoogst. Dit fenomeen, veroorzaakt door warm, vochtig weer, brengt de kwaliteit van gewassen in gevaar en draagt bij aan de mondiale uitdagingen op het gebied van de voedselzekerheid. Nieuw onderzoek, onder leiding van wetenschappers van het Carlsberg Research Laboratory in Denemarken, heeft echter het genetische mechanisme onthuld dat bepaalt wanneer gerst ontkiemt, wat mogelijk een oplossing biedt voor dit wijdverbreide probleem.
De wortels van het probleem: domesticatie en kiemrust
PHS is geen natuurlijk verschijnsel; het is een gevolg van landbouwpraktijken. Toen vroege boeren gerst domesticeerden, gaven ze prioriteit aan gewassen die snel ontkiemden na het planten. Dit vereiste het verminderen van de natuurlijke kiemrust van het zaad – een cruciale pauze die het ontkiemen verhindert totdat de omstandigheden ideaal zijn. Hoewel deze praktijk sneller planten en mogelijk twee oogsten per jaar mogelijk maakt, creëert het een aanzienlijke kwetsbaarheid: als het weer ongewoon warm en vochtig wordt vóór de oogst, kan het hele gewas voortijdig beginnen te ontkiemen. Dit maakt het graan ongeschikt voor opslag of verwerking, wat een negatieve invloed heeft op de waarde ervan voor zowel voedsel als brouwen.
Het ontrafelen van de genetische controle: de rol van MKK3
Om de oorzaken van PHS te onderzoeken, concentreerden onderzoekers zich op MKK3, een gen waarvan al bekend is dat het de kiemrust in gerst en andere graankorrels beïnvloedt. Ze voerden een uitgebreide analyse uit van het DNA van meer dan 1.000 gerstvariëteiten afkomstig van boerderijen en zaadbanken over de hele wereld. Het onderzoek omvatte ook het telen van verschillende soorten gerst op velden gedurende meerdere seizoenen, waarbij de helft van de planten opzettelijk werd blootgesteld aan omstandigheden die waarschijnlijk PHS zouden veroorzaken. Door middel van vergelijkende analyse van aangetast en normaal graan, samen met laboratoriumstudies die genexpressie en eiwitactiviteit onderzoeken, konden onderzoekers bepalen hoe MKK3-genen de kiemrust rechtstreeks beïnvloeden.
Meerdere versies van MKK3-overheidsrust
Het onderzoek, gepubliceerd in Science, bracht een cruciale bevinding aan het licht: de kiemrust wordt niet gecontroleerd door één enkele versie van het MKK3-gen, maar eerder door meerdere versies. Wilde gerst bezit slechts één kopie van dit gen, terwijl gedomesticeerde variëteiten er meerdere hebben. Hoe meer MKK3-genen een gerstplant heeft, hoe sterker het signaal om te ontkiemen, wat leidt tot kortere rustperioden.
Oude landbouwpraktijken vormden de genetische diversiteit
De onderzoekers onderzochten ook hoe deze verschillende MKK3-varianten zich in de loop van de tijd verspreidden, als reactie op klimatologische omstandigheden en de behoeften van oude boeren. Bepaalde ‘hyperactieve’ varianten werden geselecteerd door boeren in Noord-Europa, gewaardeerd om hun superieure moutkwaliteiten. Omgekeerd kregen andere, minder actieve varianten, die een hogere kiemrust bevorderen, de voorkeur van boeren in nattere klimaten, zoals Oost-Azië, waar ze gewassen hielpen de moessonseizoenen te weerstaan.
Een toekomst van klimaatbestendige gerst
Deze inzichten bieden moderne veredelaars de mogelijkheid om gerstvariëteiten te ontwikkelen die zijn afgestemd op specifieke regio’s en klimaten. >Ons werk laat zien dat het begrijpen van de genetische complexiteit van kiemrust veredelaars kan helpen gerst te ontwikkelen die zowel productief is als veerkrachtig is tegen klimaatverandering. Door selectief variëteiten te veredelen met geschikte MKK3-varianten, kunnen boeren gewassen verbouwen die zowel hoogproductief zijn als minder gevoelig voor de schadelijke effecten van kiemen vóór de oogst. Dit onderzoek houdt een grote belofte in voor het verbeteren van de mondiale voedselzekerheid en het ondersteunen van duurzame landbouwpraktijken.
