Heute in Nature Genetics: Gute Eltern sind berechenbar – zumindest beim Mais    [15.01.12]

Für mehr Ertrag & schnellere Ergebnisse: Universität Hohenheim, MPI für Molekulare Pflanzenphysiologie und IPK Gatersleben starten neues Kapitel in der Pflanzenzüchtung

Prof. Dr. Melchinger mit ertragsreicher Neuzucht. Welche Eltern besonders gut für neue Sorten geeignet sind, lässt sich jetzt berechnen. | Bildquelle: Uni Hohenheim / Oskar Eyb

Das Problem ist die schiere Menge: Beim Mais gibt es zwei große Gruppen mit jeweils 10.000 reinerbigen Linien, die sich für Neuzüchtungen kreuzen ließen. Macht 100 Milliarden Kombinationsmöglichkeiten. Denn beim Mais sagt die Leistung der Eltern wenig über den Erfolg der Kinder voraus: So können selbst schwache Elternpflanzen nach der Kreuzung durchaus die stärksten Nachkommen hervorbringen.

Gleichzeitig nimmt der Zeitdruck zu: Aktuell brauchen Züchter rund 10 Jahre, um eine neue Sorte zu entwickeln. Doch Klimawandel, Nahrungsmittelkrisen und Energiehunger verlangen zunehmend nach schnelleren Lösungen.

Beide Probleme sind Prof. Dr. Albrecht Melchinger, Doktorand Christian Riedelsheimer und ihre Kooperationspartner nun mit einem neuen Verfahren angegangen. In zwei Schritten bestimmen sie die besten Elternpflanzen. Und das, während diese entweder noch gar nicht ausgesät sind oder als kleine Pflanzen auf dem Acker stehen. Das spart Zeit und garantiert schon im Frühstadium den größtmöglichsten Erfolg.

1. Kniff: Auswahl mit Mathematik und Erfahrung

Von einem Maiskorn entnimmt Riedelsheimer eine winzige Menge. Zu wenig, um das Korn ernsthaft zu beschädigen, doch genug, um das gesamte Erbgut zu analysieren. Eine Untersuchung, die die Universität in Kooperation mit dem IPK Gatersleben durchführt.

Der Rest ist Mathematik und Erfahrung: „Heute wissen wir, dass es kein einzelnes Gen gibt, das bestimmt, ob eine Maispflanze stark wächst oder viele Körner im Kolben trägt. Stattdessen gibt es sehr viele Stellen im Erbgut des Maises, die alle einen kleinen Beitrag leisten. Mit den neuesten Methoden der Genomanalyse können wir nun bis zu 56.000 dieser Genorte untersuchen“, erklärt Riedelsheimer.

Bei ihrer Analyse greifen die Forscher nicht ins Erbgut ein. Sie erstellen aber von jeder Elternpflanze ein individuelles Muster. Experten sprechen vom „Genom-Profil“ oder dem „genetischen Fingerabdruck“.

Um diesen zu interpretieren, haben die Forscher mehr als drei Jahre lang gepflanzt, gekreuzt, Genomanalysen durchgeführt und Erträge bestimmt. Mit der Beobachtung im Feld entwickelten sie ein mathematisch-statistisches Modell, das das Elternpotential mittels genetischer Muster vorhersagt.

2. Kniff: Auswahl im frühen Jugendstadium

Einen zweiten Hinweis, welche Maispflanzen besonders gute Eltern sind, finden die Forscher in der Zusammensetzung der Blätter. Genau genommen ist es der Gehalt an Stärke, Zuckern, Aminosäuren, Chlorophyll und anderen Stoffen. Ähnlich wie die Erbgut-Daten erlauben die Informationen über diese Inhaltsstoffe eine statistische Prognose über ihr Zuchtpotential.

Diese Untersuchung ist schon kurz nach der Aussaat möglich, wenn die kleinen Pflänzchen erst drei Wochen alt und gerade mal 20 Zentimeter hoch sind. Im Gegensatz zur Erbgutanalyse ist diese Probennahme jedoch ein sportliches Unterfangen: „Da der Stoffwechsel von Pflanzen sich im Tagesverlauf ständig verändert, mussten wir bei der Blatternte sehr schnell vorgehen und die Proben sofort schockgefrieren“, berichtet Riedelsheimer. „Insgesamt haben wir 6.000 Proben genommen – in 69 Minuten!“

Für die technisch sehr anspruchsvolle Inhaltsstoffanalyse kooperierten die Pflanzenzüchter mit den Experten des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm. Der Rest ist neuentwickelte Statistik. „Ähnlich wie beim Gen-Profil sind es nicht die einzelnen Inhaltsstoffe, die uns Prognosen erlauben. Aussagekräftig sind bestimmte Kombinationen der Inhaltsstoffe“, so Riedelsheimer.

Neue Technik spart Zeit, Geld und teure Anbaufläche

„Mit diesen Verfahren können wir mit hoher Genauigkeit die aussichtsreichsten Eltern selektieren und uns danach mit allen Ressourcen auf diese konzentrieren“, so Prof. Dr. Melchinger.

Das Verfahren spart Anbaufläche – und damit Kosten: „Wollten wir alle mögliche Kreuzungen testen, müssten wir den halben Erdball mit Mais bepflanzen.“ Was nicht nur utopisch, sondern auch teuer ist: „Eine Versuchsparzelle kostet uns 50 Euro. Wir testen zwei Parzellen pro Experimentalsorte an zehn verschiedenen Standorten – das summiert sich auf 1.000 Euro“, rechnet Prof. Dr. Melchinger vor. Eine Genomanalyse mit Chip und Roboter koste rund 150 Euro.

Beachtlich ist auch der Zeitgewinn: Die DNA-Analyse der Körner kann im Winter erfolgen. Die Pflänzchen für die Inhaltsstoffanalyse wachsen derweil im Gewächshaus. Dadurch können die besten Eltern noch im gleichen Jahr bestimmt und angebaut werden.

Paradigmenwechsel erlaubt neue Forschungsansätze

Bis die neue Sorte fertig ist, vergehen trotzdem noch einige Jahre. Denn vor allem beim Mais wenden Züchter weltweit einen weiteren Kniff an, der allerdings schon seit Jahrzehnten bekannt ist.

„Beim Mais fällt auf, dass wir besonders große Nachkommen haben, wenn wir Eltern kreuzen, die über mehrere Generationen in Inzucht fortgepflanzt wurden“, berichtet Prof. Dr. Melchinger von einem an sich paradoxen Phänomen. Fachleute sprechen von „Heterosis“. Hobby-Gärtner kennen das Saatgut aus solchen Kreuzungen als „Hybride“.

Nach der Auswahl werden die vielversprechendsten Eltern deshalb in mehreren Generationen angebaut und mit sich selbst bestäubt. Erst danach folgt die eigentliche Kreuzung, die das Hybridsaatgut für den Anbau erzeugt.

Wie Heterosis biologisch funktioniert, ist im Detail noch nicht völlig erforscht, sagt Prof. Dr. Melchinger: „In früheren Forschungsprojekten haben wir allerdings nachgewiesen, dass die Gründe in einem sehr komplexen Zusammenspiel vieler Gene liegen.“

In der Forschung hat deshalb tatsächlich ein Paradigmenwechsel stattgefunden: „Man ist weg von der Suche nach einzelnen Supergenen.“ Stattdessen konzentriere man sich auf das Zusammenspiel vieler kleiner Unterschiede im Erbgut. „Letztlich erlaubt uns das einen ganz neuen Blick auf die Pflanze, dadurch verbessert sich das Hybridzuchtprogramm erheblich“, so das Fazit von Prof. Dr. Melchinger. „Im Mais steckt so viel genetische Diversität – man muss nur wissen, wie sie richtig zu kombinieren ist.“

Bibliographische Angaben

Christian Riedelsheimer, Angelika Czedik-Eysenberg, Christoph Grieder, Jan Lisec, Frank Technow, Ronan Sulpice, Thomas Altmann, Mark Stitt, Lothar Willmitzer & Albrecht E Melchinger, Genomic and metabolic prediction of complex heterotic traits in hybrid maize, Nature Genetics's, Advance Online Publication (AOP) on 15 January at 1800 London time / 1300 US Eastern time, dx.doi.org/10.1038/ng.1033

Hintergrund: Forschungsprojekt GABI

Die aktuelle Forschungsarbeit fußt auf Hinweisen, die in Vorstudien mit der Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand) erhalten wurden. Das frisch publizierte Verfahren entstand im Rahmen des Forschungsprojektes GABI-ENERGY. Das Kürzel GABI steht für „Genomanalyse im biologischen System Pflanze“ und ist der nationale Förderschwerpunkt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) für Innovationen auf dem Gebiet der Pflanzengenomforschung (www.gabi.de). Das BMBF förderte das Projekt mit 2,7 Mio. Euro.

Kontakt für Medien:

Prof. Dr. Albrecht E. Melchinger, Universität Hohenheim, Fg. Angewandte Genetik und Pflanzenzüchtung,
Tel.: 0711/459-22334, E-Mail: melchinger@uni-hohenheim.de
M. Sc. Christian Riedelsheimer, Universität Hohenheim, Fg. Angewandte Genetik und Pflanzenzüchtung,
Tel.: 0711/459-23488, E-Mail: riedelsh@uni-hohenheim.de

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