Genomanalysen machen Zuchterfolge vorhersehbar

Die Züchtung von besonders ertragreichen oder widerstandsfähigen Kulturpflanzen ist seit Jahrhunderten ein langwieriges Geschäft. In Kreuzungsversuchen müssen Züchter meistens hunderte ausgewählte Pflanzenlinien kombinieren, bevor sie auf vielversprechenden Nachwuchs stoßen. Auf diese Weise kann es bei manchen Pflanzenarten sogar mehrere Jahrzehnte dauern, bis eine neue Sorte entsteht.

Der heutigen Landwirtschaft rennt jedoch die Zeit davon: Klimaver-änderungen, Welthunger und der steigende Energiebedarf verlangen nach schnelleren Lösungen, um die wachsenden Weltbevölkerung zu versorgen.

Grüne Gentechnik kann nicht alle Pflanzeneigenschaften verbessern
Mit gentechnischen Methoden ist es zwar mittlerweile möglich, krankheitsresistente, nährstoffangereicherte und klimatolerantere Pflanzensorten schneller zu züchten, wie beispielsweise Bt-Mais oder den sogenannten Golden Rice. Das Erzeugen besserer Pflanzensorten durch die Veränderung einzelner Gene gelingt jedoch nicht immer.

Die Entschlüsselung vieler Pflanzengenome hat gezeigt, dass landwirtschaftlich interessante Pflanzeneigenschaften nicht immer auf einzelnen Gene liegen. Wuchshöhe, Nährstoffgehalt und Ertrag werden beispielsweise häufig durch ein Zusammenspiel vieler Genorte bestimmt. Dabei können mehrere hundert Gene, in einem komplexen Wechselspiel zueinander stehen und einen Beitrag leisten.

Maiszüchtung ist zeitaufwendig

So auch beim Mais (lat. Zea mays), einer der weltweit bedeutendsten Kulturpflanzen. Besonders in den Entwicklungsländern ist Mais ein begehrtes Nahrungsmittel. In den Industriestaaten wird er darüber hinaus als Futter für Nutztiere und Lieferant von Biokraftstoffen, wie Bioethanol und Biogas angebaut.

Hunderte von Genorten beeinflussen beim Mais, wie hoch die Pflanze wächst oder wie viele Maiskörner der Kolben trägt. Das macht eine gezielte genetische Manipulation dieser Eigenschaften durch grüne Gentechnik unmöglich. Denn mit den heutigen Technologien werden nur wenige einzelne Gene manipuliert und übertragen.

Mit klassischen Züchtungsmethoden benötigen Züchter jedoch derzeit noch ungefähr ein Jahrzehnt, um eine neue Maissorte zu entwickeln. Ein Grund dafür ist, dass man Elternpflanzen nicht ansieht, ob sie ihre guten Eigenschaften auch tatsächlich an ihre Nachkommen weitergeben werden. So können beispielsweise auch hochgeschossene Maispflanzen kleinwüchsigen Nachwuchs hervorbringen- und umgekehrt. Das Phänomen, dass nur bestimmte Elternkombinationen Nachwuchs mit den gewünschten Eigenschaften erzeugen wird wissenschaftlich auch als spezifische und allgemeine Kombinationsfähigkeit bezeichnet. Erst der Nachwuchs verrät etwas über die Qualität einer Linie und macht Maiszüchtung zu einer zeitintensiven Aufgabe.
Bei der Probenentnahme für die Stoffwechselmessungen muss es schnell gehen: Da sich der Stoffwechsel von Pflanzen ständig verändert, müssen Blattproben aller Pflanzen so schnell wie möglich schockgefroren werden. In nur 69 Minuten sammelten Studenten rund 6000 Blattproben. (Quelle: ©Christian Riedelsheimer/ Universität Hohenheim)

Wissenschaftler helfen der klassischen Pflanzenzucht auf die Sprünge
Mit modernen genetischen und mathematischen Methoden soll sich das jetzt ändern. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Kooperationsprojektes GABI-ENERGY entwickelten Pflanzenforscher einen neuen Ansatz, um Elternpflanzen mit hohem Züchtungspotential vorherzusagen. Die Wissenschaftler analysierten die Genome von rund 300 Maislinien und durchsuchten sie nach minimalen genetischen Variationen, den sogenannten Punktmutations- oder Single Nucleotide Polymorphisms brachten sie mit den positiven Merkmalen der Nachkommen in Verbindung.

„Mit den genetischen Daten und unseren Feldbeobachtungen haben wir ein mathematisches Modell trainiert. Damit sind wir jetzt in der Lage das Zuchtpotential der Eltern anhand des Genomprofils vorherzusagen.“, erklärt Christian Riedelsheimer vom Institut für Pflanzenzüchtung der Universität Hohenheim und Erstautor der Studie die Methode.
Darüber hinaus erstellten die Wissenschaftler Stoffwechselprofile aus den Blättern der Elternpflanzen mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie (GC-MS). Denn Stoffwechselprodukte, wie beispielsweise Chlorophyll, Stärke und Zucker geben ebenfalls einen Hinweis darauf, ob Pflanzen starke Nachkommen zeugen.

Die Pflanzen- und Tierzucht denkt um

Genetische Muster werden bereits seit einigen Jahren in der Rinderzucht genutzt, um beispielsweise vorherzusagen, ob Bullen Leistungsstarke Milchkühe zeugen werden. „Allein aufgrund ihres genetischen Profils erzielen manche Bullen einen sehr teuren Preis.“, sagt Riedelsheimer. In den letzten Jahren habe in der Züchtungsforschung ein Paradigmenwechsel stattgefunden. „Man ist davon weggekommen, einzelnen Supergenen für komplexe Merkmale nachzujagen, sondern konzentriert sich nun auf das Zusammenspiel vieler kleiner Unterschiede im Erbgut. Diesen Ansatz möchten wir jetzt auch in der Pflanzenforschung etablieren.“, so Riedelsheimer.
Machen Genomanalysen die grüne Gentechnik überflüssig?

Die Pflanzenforscher des GABI-ENERGY-Projektes sind zuversichtlich, dass ihre neue Technik vor allem Zeit und teure Anbauflächen spart. Statt die Qualität des Nachwuchses abwarten zu müssen, können Züchter schon im Vorfeld aussichtsreiche Elternpflanzen auswählen, wenn diese noch gar nicht ausgesät oder noch kleine Jungpflanzen sind.

Darüber hinaus wird es möglich, auf Eigenschaften Einfluss zu nehmen, die durch die grüne Gentechnik nicht manipulierbar sind. „Grüne Gentechnik kann erfolgreich sein, wenn es sich beispielsweise um einzelne Krankheitsresistenz-Gene handelt. Mit grüner Gentechnik kann man derzeit jedoch noch keine Merkmale verbessern, die durch sehr viele Stellen im Erbgut bestimmt sind, wie beispielsweise der Biomasseertrag.“, beschreibt Riedelsheimer die Vorteile des neuen Ansatzes.

Ursprünglich entwickelten die Wissenschaftler die Methode an der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, die ein ähnlich variables Genom besitzt. Demnach könnte die Technik auch die Züchtung vieler anderer Kulturpflanzen beschleunigen. Gelänge dies, so ließe sich die natürliche genetische Vielfalt von Pflanzengenomen für die Züchtung neuer Sorten nutzen, ohne das Erbgut zu verändern.
Originalpublikation:
C. Riedelsheimer et al. (2012) Genomic prediction of complex heterotic traits in hybrid maize. Nature Genetics: e21363. doi:10.1038/ng.1033