Germany
April 22, 2025
Experiment on sorghum millet plants at the research center of KIT’s Joseph Gottlieb Kölreuter Institute for Plant Sciences (JKIP). (Photo: Maren Riemann, KIT)
Sorghum millet is seen as the crop plant of the future: It builds up a particularly high amount of biomass and thrives in harsh conditions. Certain varieties even produce more sugar on salty soils. In an in-depth investigation of this salt-stress-induced sugar accumulation conducted by an international team including scientists from Karlsruhe Institute of Technology (KIT), it was found that the SWEET13 gene switch is responsible for directing sugar into the grains. Targeted breeding allows the introgression of SWEET13 into different varieties of sorghum millet so that it contributes to the food security of humankind. The researchers reported on their findings in the Scientific Reports journal (DOI: 10.1038/s41598-025-90432-2).
The world’s population is growing, and with it, the demand for food, primary products, and energy. Thus, crop productivity, especially that of cereals, needs to increase significantly. The impact of climate change renders it progressively difficult to meet this goal. Besides heat and drought, soil salinity puts crop plants under stress, as more and more fertile grounds are becoming salty because of the rising sea levels. Crop plants, which both have a high amount of biomass and thrive well on saline soils, might mitigate this problem.
The Molecular Cell Biology Division workgroup, headed by Professor Peter Nick at KIT’s Joseph Gottlieb Kölreuter Institute for Plant Sciences (JKIP), has been working for some years on sorghum millet, which belongs to the millet species in the sweet grass family. The sorghum varieties rich in sugar are called sweet sorghum. Sorghum millet is one of the crops with a particularly efficient photosynthesis process, which have a higher capacity to sequester carbon dioxide (CO2) and build up more biomass than other plants. Previous research of Syrian scientist Dr. Adnan Kanbar at KIT resulted in the development of a new sweet sorghum variety that accumulates a particular large amount of sugar and is well suited for producing biogas and biofuels and for producing new polymers.
Certain Varieties Produce More Sugar on Saline Soils
Further research shows that sorghum millet, an ancient crop plant from Sudan, thrives even in harsh conditions. “Certain sorghum millet varieties not only cope well in a saline environment, but react to increased salinity with the production of even more sugar,” says Peter Nick. “Some of these varieties store the sugar in the stem, which makes them a candidate for energetic use, i.e. the production of biofuels. Other varieties store the sugar in the seeds, making them a valuable contribution to human nutrition.”
Panicles of two different varieties of sweet sorghum grown under salt stress.
Top: “Della” variety that translocates fewer resources into the seedsdue to a less active SWEET13 gene variant.
Bottom: Syrian landrace “Razinieh,” which has a salt-activated SWEET13 allele and therefore stores more carbohydrates in its seeds. (Photo: KIT)
SWEET13 Gene Switch Directs Sucrose towards the Grains
This salt stress-induced sugar accumulation and the different ways to store sugar in the plant was investigated by a group of researchers led by Dr. Eman Abuslima from Egypt, who completed her doctorate at the Molecular Cell Biology Division workgroup of KIT’s JKIP institute. They discovered that the SWEET13 gene is responsible for sugar transport. “SWEET13 works like a switch: It determines that the sucrose formed by photosynthesis is directed into the plant’s grains,” explains Abuslima. The researchers found a particularly active type of SWEET13 in Razinieh, an ancient sorghum millet variety from Syria. This gene switch can be introgressed into other varieties by breeding. A polymerase chain reaction (PCR) helps to identify the breeding results with the correct variant as early as at the seedling stage. “This molecular knowledge can contribute to securing human nutrition in regions affected by soil salinization,” says Peter Nick. The Nile Delta, Bangladesh, but also southern parts of Italy are already struggling with the salt stress issue.
The scientists, among them researchers from KIT’s Institute of Applied Geosciences, Martin-Luther-University of Halle-Wittenberg, and research institutions from Egypt, Syria, and the USA, reported on their findings in the Scientific Reports journal. (or)
Original publication
Eman Abuslima, Adnan Kanbar, Ahmed Ismail, Manish L. Raorane, Elisabeth Eiche, Islam El-Sharkawy, Björn H. Junker, Michael Riemann & Peter Nick: Salt stress-induced remodeling of sugar transport: a role for promoter alleles of SWEET13. Scientific Reports, 2025. (DOI:https://www.nature.com/articles/s41598-025-90432-2)
See also Press Release “Sweet Sorghum: Sweet Promise for the Environment”
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Genschalter macht Zuckerhirse salztolerant - Forschende des KIT klären Zuckeransammlung in der Sorghumhirse unter salzigen Bedingungen auf: Gen SWEET13 lenkt Saccharose in die Körner
Sorghumhirse gilt als Kulturpflanze der Zukunft: Sie baut besonders viel Biomasse auf und gedeiht auch unter harschen Bedingungen. Bestimmte Sorten bilden auf salzigen Böden sogar mehr Zucker. Diese salzstress-bedingte Zuckeransammlung haben nun Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in einem internationalen Team genauer untersucht und festgestellt, dass der Genschalter SWEET13 den Zucker in die Körner lenkt. Durch Züchtung lässt sich SWEET13 in verschiedene Sorten der Sorghumhirse einkreuzen, um zur Ernährungssicherheit beizutragen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift Scientific Reports (DOI: 10.1038/s41598-025-90432-2).
Das Wachstum der Weltbevölkerung und den damit verbundenen steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln, Rohstoffen und Energie erfordert, dass die Produktivität von Pflanzen, besonders von Getreide, erheblich zunimmt. Die Auswirkungen des Klimawandels erschweren dies allerdings zunehmend. Neben Hitze und Trockenheit setzt auch der Salzgehalt des Bodens die Pflanzen unter Stress. Denn durch den Anstieg der Meeresspiegel versalzen immer mehr fruchtbare Böden. Eine Lösung könnten Kulturpflanzen sein, die einerseits besonders viel Biomasse aufbauen und andererseits auch auf salzigen Böden gut gedeihen.
Die Arbeitsgruppe Molekulare Zellbiologie unter Leitung von Professor Peter Nick am Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften (JKIP) des KIT befasst sich seit einigen Jahren mit Sorghumhirse, einer Hirseart aus der Gattung Sorghum in der Familie der Süßgräser. Die zuckerreichen Sorten werden als Zuckerhirse bezeichnet. Sorghumhirse gehört zu den Pflanzen, die besonders effizient Photosynthese betreiben, daher Kohlendioxid (CO2) besser binden und mehr Biomasse aufbauen als andere Pflanzen. In früheren Forschungsarbeiten entwickelte der syrische Wissenschaftler Dr. Adnan Kanbar am KIT eine neue Zuckerhirsesorte, die besonders viel Zucker ansammelt und sich zur Herstellung von Biogas und Biokraftstoffen sowie zur Produktion neuer Polymere verwenden lässt.
Bestimmte Sorten bilden unter salzigen Bedingungen mehr Zucker
Weitere Forschungen zeigen, dass Sorghumhirse, eine uralte Kulturpflanze aus dem Sudan, auch unter harschen Bedingungen gedeiht. „Bestimmte Sorghumhirse-Sorten kommen mit Salz nicht nur gut zurecht, sondern bilden unter salzigen Bedingungen sogar mehr Zucker“, sagt Nick. „Manche dieser Sorten speichern den Zucker im Stängel, was sie für eine energetische Nutzung, das heißt für die Herstellung von Biokraftstoffen interessant macht. Andere speichern den Zucker in den Samen, sodass sie zur menschlichen Ernährung beitragen können.“
Genschalter SWEET13 lenkt Saccharose in die Körner
Diese durch Salzstress bedingte Zuckeransammlung und die unterschiedliche Zuckerspeicherung in der Sorghumhirse hat eine Gruppe von Forschenden um Dr. Eman Abuslima aus Ägypten, die ihre Promotion in der Arbeitsgruppe Molekulare Zellbiologie am JKIP des KIT absolvierte, untersucht. Sie fanden heraus, dass das Gen SWEET13 über den Zuckertransport entscheidet. „SWEET13 funktioniert wie ein Schalter, der dafür sorgt, dass die durch Photosynthese gebildete Saccharose in die Körner der Pflanze geleitet wird“, erklärt Abuslima. In der alten syrischen Sorghumhirse-Sorte Razinieh fanden die Forschenden eine besonders aktive Version von SWEET13. Durch Züchtung lässt sich dieser Genschalter in andere Sorten einkreuzen. Dabei hilft eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die Nachkommen mit der richtigen Variante bereits im Keimlingsstadium zu identifizieren. „Dieses molekulare Wissen kann dazu beitragen, die menschliche Ernährung in von Bodenversalzung betroffenen Gebieten zu sichern“, so Peter Nick. Das Nildelta, Bangladesch, Vietnam, aber auch der Süden Italiens hätten schon heute mit dem Problem Salzstress zu kämpfen.
Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, unter ihnen Forschende vom Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT, von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg sowie von Forschungseinrichtungen in Ägypten, Syrien und den USA, in der Fachzeitschrift Scientific Reports.
Originalpublikation
Eman Abuslima, Adnan Kanbar, Ahmed Ismail, Manish L. Raorane, Elisabeth Eiche, Islam El-Sharkawy, Björn H. Junker, Michael Riemann & Peter Nick: Salt stress-induced remodeling of sugar transport: a role for promoter alleles of SWEET13. Scientific Reports, 2025. DOI: 10.1038/s41598-025-90432-2
Zur Presseinformation „Zuckerhirse: Süßes Versprechen für die Umwelt“
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