Auf gute Partnerschaft!

Bei vielen Kulturarten sind Hybridsorten mittlerweile Standard. Auch im Ökolandbau. Bei Weizen sieht es dagegen noch etwas anders aus. Dort arbeitet man noch fleißig daran, Hybridweizen aus der Nische zu holen. Mit der Aufklärung der Hintergründe des Heterosis-Effekts wurde nun ein wichtiger Meilenstein erreicht.

Die Liste von Produkten, die Weizen (Triticum aestivum) enthalten, ist lang. Teig- und Backwaren bilden nur die Spitze des Eisbergs. Der Großteil der Produktion ist ohnehin nicht für den menschlichen Verzehr bestimmt, sondern wandert als Futtermittel in die Tierproduktion. Mit jedem Jahr, mit dem die Weltbevölkerung wächst, steigt daher auch der Druck auf die Weizenproduktion. 2050 wird der Weizenbedarf bei über 900 Millionen Tonnen liegen. Pflanzenzüchter sind daher heute herausgefordert, neue Sorten zu entwickeln, die langfristig höhere Erträge liefern.

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Bei Hybridweizen besteht noch Aufholbedarf

Seit einigen Jahren wird deshalb intensiv daran gearbeitet, die Züchtung von Weizenhybriden voranzutreiben. Schließlich haben sich Hybridsorten bei vielen Pflanzenarten bereits bewährt, weil sie ertragreicher und widerstandsfähiger sind. Anders als z. B. bei Mais (Zea mays) oder Roggen (Secale cereale) besteht bei der Hybridzüchtung von Weizen aber noch Aufholbedarf. Jochen Reif, Leiter der Abteilung „Züchtungsforschung“ am IPK-Gatersleben, ist dennoch überzeugt: „Durch die Kreuzung komplementärer Eltern werden Nachkommen hervorgebracht, die durch den Heterosis-Effekt bis zu einer Tonne pro Hektar Mehrertrag aufweisen. Das entspricht etwa zehn Jahren Zuchtfortschritt.“

Herausforderungen bei der Hybridzucht

Der Begriff Heterosis wird bei Pflanzen (und auch bei Tieren) allgemein dann verwendet, wenn die Nachkommen ihre beiden homozygoten Eltern in bestimmten Merkmalen übertreffen, z. B. beim Ertrag. Dass Weizen von Natur aus eine selbstbefruchtende Pflanzenart ist, macht die Sache nicht einfacher. Dies ist mit ein Grund, warum die Züchtung von Weizenhybriden schwieriger ist als bei Mais oder Roggen (zwei Fremdbefruchter). Doch es gibt noch eine weitere Herausforderung, erklärt Reifs Kollege Yong Jiang: „Heterosis kann in der Hybridzüchtung erfolgreicher als bisher verwertet werden, wenn wir die Ursachen des Phänomens kennen.“ Warum also übertreffen Weizenhybriden in bestimmten Merkmalen ihre Eltern?

Auf den Spuren des Heterosis-Effektes: Ein interdisziplinäres Zusammenspiel

Zur Beantwortung dieser Frage kombinierten Mathematiker, Genetiker und Agrarwissenschaftler des IPK moderne Methoden der Quantitativen Genetik und der Genomforschung mit dem Ziel, die Heterosis besser zu verstehen. So fanden die Wissenschaftler heraus, dass vor allem epistatische Effekte dafür verantwortlich sind. Doch was heißt das?

Gehen wir einen Schritt zurück und fragen uns, wovon z. B. abhängt, wie hoch das Gewicht eines Weizenkorns ist oder wieviel Körner eine Weizenähre besitzt - zwei ertragsrelevante Merkmale. Dann hat dies in der Regel mit dem Zusammenwirken von mehreren Genen und Genprodukten zu tun.

Der Begriff Epistasie oder Epistase kommt aus dem Griechischen (bremsen, stoppen) und beschreibt eine Interaktion zwischen Genen, bei der ein Gen das andere Gen daran hindert, seine Funktion zu erfüllen. Es hängt also von einem oder mehreren Genen ab, ob ein anderes Gen auf ein bestimmtes Merkmal Einfluss nehmen kann, z. B. bei einer der oben genannten Eigenschaften. Zu wissen, ob epistatische Kräfte wirken, ist deshalb wichtig, weil man im Fall von Epistasie nicht einfach aus der bloßen Anwesenheit eines Gens oder Allels Rückschlüsse auf das Merkmal ziehen kann.

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Reifs Team hat gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen. Denn es wurde nicht nur ein wichtiger Beitrag zur Aufklärung der Heterosis bei Weizenhybriden geleistet, inklusive der Identifikation der beteiligten Gene, wie Jiang erklärt.

Ein Werkzeug auch für andere Pflanzenarten

„Die von uns entwickelte Methodik bildet eine unverzichtbare Grundlage, um Heterosis auch in anderen wichtigen Kulturpflanzen verstehen zu lernen“, erklärt Jiang und fährt fort: „Bisher waren umfassende quantitativ-genetische Analysen nur für ausgewählte Pflanzenpopulationen möglich. Erst durch die Generalisierung der bestehenden Auswertungswerkzeuge gelang es uns, auch die Interaktion von Genen in unsere Untersuchung im Weizen einzubeziehen. Dies war der Schlüssel zum Erfolg, denn in dieser wichtigen Kulturpflanze ist die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Genen entscheidend für die Heterosis.“ In anderen Pflanzenarten kann dies nämlich wiederum ganz anders sein. Ein Beispiel ist z. B. Hybridreis (Oryza sativa). Dort fallen epistatische Effekte bei der Heterosis nämlich kaum ins Gewicht.