High temperature during anthesis affects the salinity tolerance of quinoa under field conditions

In den ariden Landschaften des Nahen Ostens und Zentralasiens, wo der Boden oft salzig und die Luft trocken ist, stehen Landwirte vor einer schwierigen Wahl: Nahrung anbauen oder zusehen, wie das Land brachliegt. Seit Jahrzehnten verlässt sich die Welt auf eine Handvoll Grundnahrungsmittel wie Weizen und Reis, um ihre Bevölkerung zu ernähren, doch diese Pflanzen sind empfindlich, wenn der Boden salzig oder die Luft zu heiß ist. Während sich das Klima wandelt und die Temperaturen steigen, hat sich die Suche nach einer widerstandsfähigen Alternative der bescheidenen Saat aus den Anden zugewandt: Quinoa. Diese Pflanze ist nicht nur eine Quelle für Proteine und Nährstoffe; sie ist ein Überlebenskünstler. Sie gedeiht unter harten Bedingungen, unter denen andere Nutzpflanzen versagen, und verträgt salzigen Boden, der ein Weizenfeld töten würde. Wissenschaftler wissen schon lange, dass Quinoa Salz vertragen kann, aber sie hatten Schwierigkeiten vorherzusagen, wie viel es in der realen Welt genau aufnehmen kann, besonders wenn das Wetter gegen sie steht. Die Frage ist nicht mehr nur, ob Quinoa in salzigem Boden wachsen kann, sondern ob er den Doppelschlag von Salz und extremer Hitze übersteht – eine Kombination, die in den Regionen, in denen diese Kultur am dringendsten benötigt wird, zunehmend häufiger vorkommt.

Um dies zu beantworten, untersuchten Forscher im Iran fünf verschiedene Quinoa-Sorten unter realen Feldbedingungen über zwei aufeinanderfolgende Jahre hinweg. Sie pflanzten die Samen in einem sandig-lehmigen Boden auf dem zentralen Plateau, einer Region, die für ihr herausforderndes Klima bekannt ist. Das Team schuf eine kontrollierte Umgebung, in der sie den Salzgehalt des zur Bewässerung verwendeten Wassers manipulieren konnten, wobei sie Stufen von Süßwasser bis hin zu Wasser, das so salzig wie der Ozean ist, testeten. Sie züchteten die Pflanzen durch zwei volle Saisons, 2017 und 2018, um zu sehen, wie die Kulturen abschneiden würden. Das erste Jahr war relativ mild, aber das zweite Jahr brachte eine Überraschung: eine Periode intensiver Hitze während der kritischsten Zeit für die Pflanzen, als sie blühten und ihre Samen mit Korn füllten. Diese natürliche Variation ermöglichte es den Wissenschaftlern, zu vergleichen, wie dieselben Pflanzen auf Salz in einem normalen Jahr im Vergleich zu einem Jahr mit schwerer Hitze reagierten.

Die Ergebnisse zeichneten ein klares Bild der Grenzen der Pflanze. Im kühleren Jahr 2017 schnitt die Quinoa gut ab und lieferte selbst in mäßig salzigem Boden eine gesunde Ernte. Die Pflanzen wuchsen hoch, ihre Samen waren schwer, und sie brachten einen signifikanten Kornertrag. Die Geschichte änderte sich jedoch dramatisch im Jahr 2018. Als hohe Temperaturen während der Blütephase auftraten, brach die Fähigkeit der Pflanzen, Samen zu produzieren, zusammen. Der durchschnittliche Samenertrag sank von fast 400 Gramm pro Quadratmeter im ersten Jahr auf weniger als 76 Gramm pro Quadratmeter im zweiten Jahr. Die Hitze reduzierte nicht nur die Menge des Korns; sie änderte die Prioritäten der Pflanze. Anstatt Energie in die Bildung von Samen zu investieren, konzentrierten sich die Pflanzen auf das Wachstum von Blättern und Stängeln, was zu einer großen Menge Stroh, aber sehr wenig Ernte führte. Die Samen, die sich bildeten, waren kleiner und leichter, und die Pflanzen wurden viel empfindlicher gegenüber dem Salz im Boden.

Die Forscher fanden heraus, dass Hitzestress die Art und Weise, wie Quinoa mit Salz umgeht, grundlegend veränderte. Im kühleren Jahr konnten die Pflanzen hohe Salzgehalte tolerieren, wobei einige Sorten selbst in recht salzigem Boden gute Erträge ließen. Doch als die Hitze eintraf, verschob sich die Toleranzdynamik der Pflanzen. Der Schwellenwert, bei dem der Ertrag zu sinken beginnt, zeigte unter Hitzestress gemischte Ergebnisse: Für einige Genotypen wie Sadoq stieg der Schwellenwert, während er für andere wie NSRCQE sank. Jedoch wurde die Steigung des Ertragsrückgangs flächendeckend viel steiler; für jede Einheit Salz, die über den Schwellenwert hinaus hinzugefügt wurde, sank der Ertrag im heißen Jahr viel schneller als im kühlen Jahr. Im Wesentlichen variierte zwar der Ausgangspunkt des Stresses je nach Sorte, aber der durch Salz verursachte Schaden wurde weitaus schwerwiegender, sobald dieser Punkt erreicht war, was die Pflanzen insgesamt fragiler machte. Die Studie zeigte, dass die Empfindlichkeit von Quinoa gegenüber Salinität signifikant zunahm, wenn sie mit Hitzestress kombiniert wurde, insbesondere während der Blüte- und Kornfüllungsphasen.

Das Experiment verdeutlichte auch, dass nicht alle Quinoa-Sorten gleich sind. Einige Linien, wie die benannte Sadoq, zeigten eine höhere Kapazität, in beiden Jahren Samen zu produzieren, obwohl selbst diese widerstandsfähige Sorte einen massiven Ertragsrückgang im heißen Jahr erlitt. Andere Sorten waren weniger konsistent, wobei einige in einem Jahr gut und im nächsten schlecht abschnitten. Die Forscher beobachteten, dass die Fähigkeit der Pflanzen, große Samen zu produzieren, besonders anfällig für die Hitze war, wobei der Prozentsatz großer Samen im heißen Jahr um fast ein Viertel sank. Diese Inkonsistenz deutet darauf an, dass das bloße Anpflanzen von Quinoa in salzigen Regionen keine garantierte Lösung ist. Der Zeitpunkt der Pflanzung und die spezifische genetische Beschaffenheit des Samens sind ebenso wichtig wie die Bodenbedingungen.

Die Erkenntnisse bieten eine ernüchternde Lektion für die Landwirtschaft in einer sich erwärmenden Welt. Obwohl Quinoa eine vielversprechende Kultur für salzhaltige Böden bleibt, ist ihr Erfolg nicht absolut. Sie ist kein magisches Allheilmittel, das das Wetter ignorieren kann. Die Studie zeigt, dass hohe Temperaturen während der Blütephase den Fortpflanzungsprozess der Pflanze stören können, was dazu führt, dass sie Samen abwirft oder winzige, leichte Samen produziert. Diese Störung geschieht, weil die Hitze die Bestäubung beeinträchtigt, ein Prozess, der auf spezifischen Temperaturbereichen beruht. Wenn die Luft zu heiß ist, wird die Fähigkeit der Pflanze, Sonnenlicht und Nährstoffe in Korn umzuwandeln, beeinträchtigt, und das Salz im Boden wird zu einem viel schädlicheren Faktor. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass Landwirte und Züchter, um Quinoa zu einer zuverlässigen Nahrungsquelle in diesen harten Umgebungen zu machen, sich auf die Auswahl von Sorten konzentrieren müssen, die weniger hitzeempfindlich während der Blüte sind, und die Pflanzetermine anpassen müssen, um die heißesten Teile der Saison zu vermeiden. Oh-ne diese Anpassungen könnte das Versprechen von Quinoa als klimaresiliente Nutzpflanze in genau den Regionen, die sie am dringendsten benötigen, unerfüllt bleiben.