zum Inhalt springen
Powered by

Den Heterosis-Genen auf der Spur – Wie die Hybridzüchtung von der Genomforschung profitieren kann

Ein ertragreicher Maisanbau ist ohne Hybridzüchtung schon lange nicht mehr denkbar. Das Phänomen, dessen sich Pflanzenzüchter dabei bedienen, birgt jedoch noch viele Geheimnisse. Mit den Methoden der modernen Genomforschung will die Wissenschaft das Rätsel Heterosis lösen, um die Hybridzüchtung zu beschleunigen und bei weiteren wichtigen Kulturarten zu etablieren.

Von einem „faszinierenden Phänomen“ spricht Prof. Albrecht Melchinger, als er das vor sich auf dem Tisch stehende Modell beschreibt: Vier senkrecht nebeneinander auf einem hölzernen Fundament angebrachte Maiskolben, von denen jene in der Mitte eindrucksvoll durch Höhe und Durchmesser bestechen – sie sind die Nachkommen der beiden äußeren Kolben und werden in der Pflanzenzüchtung als Hybriden bezeichnet. Das „faszinierende Phänomen“, dem sie ihr Aussehen zu verdanken haben, heißt Heterosis. Deren gezielte Nutzung in der Landwirtschaft Hybridzüchtung. Wissenschaftlich definiert, ist Heterosis die Mehrleistung der Hybride über das Mittel ihrer Eltern, erklärt der Hohenheimer Professor für Angewandte Genetik und Pflanzenzüchtung. Diese Mehrleistung kann enorm sein. Beim Mais sind die Hybriden ihren Eltern um mehr als 100 Prozent Ertrag überlegen.

Neue Möglichkeiten in der Heterosisforschung

Prof. Dr. Albrecht Melchinger © Universität Hohenheim

Der amerikanische Botaniker und Pflanzengenetiker George Harrison Shull beschrieb Heterosis als Erster genauer. Das war im Jahr 1908. Wegen einer Trockenperiode in den 1930er Jahren erlebte die Hybridzüchtung in den USA eine rasche Etablierung. Der wissenschaftliche Hintergrund der Heterosis war damals noch nahezu unbekannt, aber „von höchstem nationalem Interesse", erzählt Melchinger. So dauerte die erste Heterosis-Konferenz im Jahr 1950 ganze vier Wochen. Heute, fast 60 Jahre später, ist das Phänomen noch immer nicht vollständig aufgeklärt, jedoch gibt es „völlig neue Möglichkeiten, um es zu erforschen", so der Wissenschaftler.

Effizienz durch moderne Markertechnologie

Die Rede ist von den Methoden der Genomforschung. „Hierbei geht es nicht um Gentechnik“, betont Melchinger, sondern um die „Aufklärung des Genoms“. Die moderne DNA-Markertechnologie ist dank der intensiv geförderten Humangenetik auch für den Bereich der Pflanzenwissenschaften erschwinglich geworden. „Mit 180 Dollar können 60.000 Datenpunkte analysiert werden. Das ist eine hochdichte Abdeckung des Genoms“, so Melchinger. Was verspricht sich die Wissenschaft von einem verstärkten Einsatz an Genomanalysen? Die Hybridzüchtung im Mais kämpft mit einem Mengenproblem. So entstehen für ihr Ausgangsmaterial jährlich 10.000 neue mütterliche und väterliche Inzuchtlinien. Ganz Baden-Württemberg würde nicht ausreichen, um deren Kreuzungsprodukte aus 100 Millionen Nachkommen zu Prüfungszwecken anzubauen, erläutert der Pflanzenzüchter. Mit Hilfe der DNA-Chiptechnologie kann jedoch schon anhand der Keimlinge im Labor herausgefunden werden, ob die Nachkommen die gewünschten Gene in sich tragen. Ein enormer Effizienzgewinn.

Methoden der Hybridzüchtung

Wissenschaftlich definiert, ist Heterosis die Mehrleistung der Hybriden (mittlere Maiskolben) über das Mittel ihrer Eltern (linker und rechter Maiskolben). © Devezi

 Für den Mais ist die Hybridzüchtung bereits voll etabliert. Die Landwirte der Industrienationen bauen ausschließlich auf die ertragreichen Maishybriden. Das liegt zum einen daran, dass Heterosis in dieser Kulturart besonders ausgeprägt ist, zum anderen lassen sich Maishybriden ausgesprochen einfach herstellen. Der Mais trägt getrennte Blütenstände, männliche und weibliche Blüten treten an derselben Pflanze in Gruppen getrennt voneinander auf. Die Mutterlinie wird kastriert, so dass ihre Narben von den Pollen der Vaterlinie bestäubt werden müssen. Das Hybridsaatgut kann auf der Mutterlinie geerntet werden.

Weitaus schwieriger herzustellen sind Weizen-, Gerste-, Roggen- oder Reishybriden. „Hier passiert die Bestäubung im Inneren eines Blütchens", erklärt Melchinger. Kastriert werden kann mit der Pinzette, der Aufwand steht jedoch in keinem Verhältnis zum Nutzen. Deshalb bedienen sich die Pflanzenzüchter des genetischen Mechanismus der cytoplasmatisch männlichen Sterilität (CMS). Durch diese Unfruchtbarkeit sind die Pflanzen der Mutterlinie gezwungen, sich von den Pollen der Vaterlinie bestäuben zu lassen. Doch „ohne Pollen keine Körner", deutet Melchinger auf ein zweites notwendiges Instrument für die Herstellung von Hybriden hin: „Die Fertilität muss restauriert werden." Das passiert mit Hilfe sogenannter Restorergene, die mit den Pollen der Vaterlinie in die sterile Mutterlinie eingekreuzt werden. Auch hierbei kommt die moderne Markertechnologie zum Einsatz.

Hybridzüchtung im Reis entspricht 20 Jahren Zuchtfortschritt

Trotz des vergleichsweise komplizierten Züchtungsverfahrens ist die Hybridzüchtung im Reis auf dem Vormarsch. Immerhin bewirkt Heterosis in dieser Kulturart an die 30 Prozent Mehrertrag. Angesichts steigender Bevölkerungszahlen und knapper werdender agrarischer Flächen ein schlagkräftiges Argument. Durch konventionelle Züchtung wäre gerade einmal ein jährlicher Mehrertrag von 1,5 Prozent zu erreichen, „das heißt, eine erfolgreiche Hybridzüchtung entspricht 20 Jahren Zuchtfortschritt“, so Melchinger eindrücklich. Und das ganz ohne Gentechnik. „Die Gewichte verschieben sich in Richtung Genomforschung“, so Melchingers persönliche Einschätzung bezüglich der finanziellen Förderung.

Ertrag ist wieder ein Zuchtziel

Noch vor wenigen Jahren sei man vorsichtig gewesen, Ertrag als Zuchtziel zu formulieren. Heute jedoch, wo die landwirtschaftliche Überproduktion abgebaut ist, die Pflanzen den Folgen des Klimawandels ausgesetzt sind und Agrarprodukte auch zur Energieproduktion genutzt werden, muss das Vakuum an Nahrungs- und Futtermitteln durch einen gesteigerten Ertrag pro Flächeneinheit gefüllt werden. Eine Aufgabe, die mit Hilfe der Hybridzüchtung schneller zu bewältigen ist als mit der konventionellen Variante, davon ist Melchinger überzeugt. Die Deutsche Forschungsgesellschaft hat „Heterosis bei Pflanzen“ in den vergangenen sechs Jahren zu einem Schwerpunktprogramm erklärt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in einer dreitägigen Konferenz an der Universität Hohenheim vorgestellt. Bisher wisse man, dass am Phänomen Heterosis eine Vielzahl von Genen beteiligt sei, doch „wie das Orchester zusammenspielt“, gelte es noch herauszufinden, so Melchinger. Nach seinen Plänen soll die Hybridzüchtung bald noch effizienter gestaltet und in weiteren wichtigen Kulturarten wie Weizen, Gerste, Sorghum oder Perlhirse etabliert sein.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/den-heterosis-genen-auf-der-spur-wie-die-hybridzuechtung-von-der-genomforschung-profitieren-kann