Das Geheimnis der Jugend

„Junge“ Gene machen Hybridmais ertragreich

12.11.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Der Heterosis-Effekt führt dazu, dass Hybridmais ertragreicher ist als reinerbige Maissorten. Dies zeigt sich unter anderem an den größeren Maiskolben. (Bildquelle: © Johann Jaritz/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0)
Der Heterosis-Effekt führt dazu, dass Hybridmais ertragreicher ist als reinerbige Maissorten. Dies zeigt sich unter anderem an den größeren Maiskolben. (Bildquelle: © Johann Jaritz/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0)

Hybridpflanzen liefern höhere Erträge als reinerbige Sorten. Gene, die in evolutionären Maßstäben betrachtet, relativ jung im Genom verankert wurden, könnten ein Grund dafür sein. Diese Gene entwickelten sich nach einer vollständigen Genomduplizierung bei Mais vor „nur“ fünf Millionen Jahren.

Die Frage, warum mischerbige (hybride) Pflanzen höhere Erträge liefern als ihre reinerbigen Eltern beschäftigt die Wissenschaft seit fast 100 Jahren. Dieses Phänomen wird auch Heterosis-Effekt genannt und führt bei Mais (Zea mays), einer Modellpflanze für die Erforschung des Heterosis-Effekts dazu, dass z. B. die Maiskolben von  Hybridmais größer und meistens auch ertragreicher sind als die von reinerbigen Maissorten. Junge Gene könnten der Grund dafür sein, wie deutsche Forscher nun herausgefunden haben.

Bei Hybridmais sind zusätzliche Gene aktiv - Viele davon sind relativ jung

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Aufgrund der höheren Erträge wird heute am häufigsten Hybridmais angebaut. Seit seiner Einführung im Jahr 1930 sind die Erträge um rund 200 % gestiegen.

Aufgrund der höheren Erträge wird heute am häufigsten Hybridmais angebaut. Seit seiner Einführung im Jahr 1930 sind die Erträge um rund 200 % gestiegen.

Bildquelle: © Petra Bork/ pixelio.de

Prof. Dr. Frank Hochholdinger von der Universität Bonn beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den genetischen Ursachen des Heterosis-Effekts. Im Jahr 2012 fand er mit seinem Forscherteam heraus, dass Hybridmais im Vergleich zu den reinerbigen Eltern bis zu 750 zusätzlich aktive Gene besitzt, die in einem Zusammenhang mit der Heterosis stehen könnten. Nun, zwei Jahre später, haben er und sein Forscherteam eine neue Studie veröffentlicht, in der sie sich eingehender mit den unterschiedlichen Genaktivitäten von Hybridmais und den Eltern beschäftigt haben.

Die Genaktivitäten unterscheiden sich bei reinerbigen Eltern und ihren Nachkommen

Für ihre Studie konzentrierten sich die Forscher auf die Wurzeln von jungen Maispflanzen. Es handelte sich dabei um die zwei reinerbigen Maissorten B73 und Mo17 und deren beiden hybriden Nachkommen (B73 x Mo17 und Mo17 x B73). Die Forscher suchten in den jungen Wurzeln gezielt nach Transkripten, um Rückschlüsse auf die Genaktivität ziehen zu können. Transkripte sind quasi Gen-Kopien, die zur Produktion von Proteinen erstellt werden. Anhand der gefundenen Transkripte stellten die Forscher fest, dass es eine Vielzahl von Genen geben muss, die in den Wurzeln beider hybriden Nachkommen, jedoch nur bei jeweils einem der beiden Eltern-Pflanzen aktiv sind.

2.341 zusätzliche Gene sind in den Wurzeln der Hybriden aktiv

Die Forscher konzentrierten sich in ihrer Studie auf vier unterschiedliche Wurzelgewebearten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen. Von der Wurzelspitze aus betrachtet handelte es sich dabei um das Apikalmeristem, wo die Zellteilung für das Wachstum stattfindet, die Dehnungszone, das Rindengewebe und die Stele. Letztere bezeichnet in der Botanik die Gesamtheit des primären Leitgewebes für den Wasser und Stofftransport, das Phloem und das Xylem. „Das pflanzliche Wurzelsystem wurde bisher nicht in Züchtungsansätze einbezogen, weil Wurzeln im Boden schwer zugänglich und komplex aufgebaut sind“, erklärte Hochholdinger den Forschungsansatz.

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Prof. Dr. Frank Hochholdinger und sein Team konzentrierten sich im Rahmen ihrer Studie auf die Maiswurzeln von reinerbigen Maissorten und ihren mischerbigen (hybriden) Nachkommen.

Prof. Dr. Frank Hochholdinger und sein Team konzentrierten sich im Rahmen ihrer Studie auf die Maiswurzeln von reinerbigen Maissorten und ihren mischerbigen (hybriden) Nachkommen.

Bildquelle: © Stihl024/ pixelio.de

„Besonders bemerkenswert war, dass diese Gene nicht in allen untersuchten Geweben gleiche Aktivitätsmuster zeigen, sondern dass sie sehr variabel und gewebespezifisch waren“ erklärte Dr. Anja Paschold. Insgesamt wurden bei den beiden Hybriden 2.341 zusätzliche Gene exprimiert, die nur bei einem Elternteil aktiv waren. Während 55% davon, 1.294 Gene, in allen Gewebearten aktiv waren, zeigten 45 %, 1.051 Gene, dagegen gewebespezifische Muster und Genaktivitäten.

Ein Großteil der Gene steht im Zusammenhang mit der Apoptose

Bei der näheren Untersuchung der Gene stellte sich heraus, dass ein Großteil der identifizierten Gene in Verbindung mit der Apoptose stand. Der programmierte Zelltod. Die Forscher stellten fest, dass viele Gene an der Produktion von Enzymen beteiligt waren, deren Aufgabe es ist, DNA abzubauen.

Der programmierte Zelltod ist, anders als sein Name vermuten lässt, sinnvoll und vorteilhaft für einen Organismus, da er z. B. die Ausbreitung von Krankheiten eindämmt und zur Regeneration beiträgt. Dies könnte erklären, warum Hybridsorten nicht nur ertragreicher und größer, sondern auch widerstandsfähiger sind als ihre Eltern.

„Junge“ Gene begünstigen Heterosis-Effekt

Um die Entstehung der betreffenden Gene nachzuvollziehen, unterzogen die Forscher ihre genetischen Daten einem historischen Vergleich. Sie verglichen diese mit dem Erbgut des Sorghum (Sorghum bicolor), einem uralten Verwandten des Mais. Als vor  5 - 12 Millionen Jahren eine vollständige Genomduplizierung beim Mais stattfand, spaltete sich dieser von Sorghum ab. Da die Forscher im Erbgut des Sorghums keine Hinweise auf die Gene fanden, gehen sie davon aus, dass diese erst im späteren Verlauf hinzugekommen sind.

Sie folgerten daraus, dass die jungen Gene, anders als die über 5 Millionen Jahre alten Maisgene, nicht überlebenswichtig sind. Für grundlegende Prozesse wie z.B. die Steuerung des Entwicklungsprogramms von Keimung und Keimlingen spielen diese keine Rolle. „Wenn sich jedoch viele dieser kleinen Vorteile in Hybridpflanzen vereinigen, könnte dies zur Überlegenheit der Hybride bei den für uns Menschen wichtigen Eigenschaften führen“, erklärt Hochholdinger.

Die Hybridzüchtung ist aufwendig, dafür aber ertragreich

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Sorghum (Sorghum bicolor) ist ein alter Verwandter des Maises (Zea mays). Sein Erbgut enthält noch keine der bei Hybridmais zusätzlich aktiven Gene.

Sorghum (Sorghum bicolor) ist ein alter Verwandter des Maises (Zea mays). Sein Erbgut enthält noch keine der bei Hybridmais zusätzlich aktiven Gene.

Bildquelle: © Larry Rana/ wikimedia.org/ CC0

Hybridmais ist vor Reis und Weizen das Getreide mit den höchsten Kornerträgen. Hybridsorten entstehen, wenn zwei nahezu reinerbige Inzuchtlinien gekreuzt werden. Auf diese Weise erhalten die Nachkommen ein breiteres Repertoire an vorteilhaften genetischen Eigenschaften, sofern die richtigen Elternkombinationen gewählt wurden.

Die Kunst der Züchter ist es, neue Maisgenotypen und aus diesen wiederum neue Inzuchtlinien zu entwickeln. Wenn aus diesem riesigen Pool die beiden richtigen Partner kombiniert werden, entsteht eine neue Hybridgeneration mit den gewünschten Eigenschaften. Erschwerend kommt hinzu, dass auch von Bedeutung ist, welche Inzuchtlinie als Vater und welche als Mutter genutzt werden.  In der folgenden Generation geht dieser positive Effekt verloren. Die „Kinder“ der Hybriden spalten auf, so dass Hybridsaatgut jedes Jahr aufs Neue von Züchtern erzeugt und von den Bauern gekauft werden muss. Die damit verbundenen Anschaffungskosten müssen durch Vorteile z. B. hohe und stabile Erträge ausgeglichen werden. Geschieht dies, bevorzugen Landwirte Hybridsorten statt reinerbiger Linien oder Mischsorten.

200 % höhere Erträge seit 1930                                     

Die Einführung des Hybridmais erfolgte im Jahr 1930 in Amerika. Verglichen mit den reinerbigen Maissorten haben sich die Erträge seitdem um über 200 % erhöht. Hybridsorten werden nicht nur von Mais, sondern auch von Raps (Brassica napus), Roggen (Secale cereale) und der Zuckerrüber (Beta vulgaris) angebaut.

Vor dem Hintergrund der steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln und Rohstoffen spielt die Züchtung von ertragreichen Sorten eine wichtige Rolle. Prognosen zufolge müssen die Erträge in der Landwirtschaft bis zum Jahre 2050 um rund 70 % steigen, um die wachsende Bevölkerung zu ernähren. Mit dem neuen Wissen um die jungen Gene wird es nun möglich sein, bei der Entwicklung und Züchtung eine Vorauswahl zu treffen und somit den Aufwand bei der Hybridzüchtung zu senken.

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Die Hybridzüchtung ist aufwendig und langwierig. Es kann Jahre dauern, bis Inzuchtlinien mit geeigneten genetischen Eigenschaften gefunden werden.

Die Hybridzüchtung ist aufwendig und langwierig. Es kann Jahre dauern, bis Inzuchtlinien mit geeigneten genetischen Eigenschaften gefunden werden.

Bildquelle: R. Krause/ pixelio.de

Methoden der Hybridzüchtung

Neuere Forschungen zielen darauf ab, den Hybrid-Effekt auch bei sich selbstbefruchtenden Kulturpflanzen zu nutzen, die nicht mit mechanischen Methoden kastriert werden können, um die Selbstbestäubung der Mutterlinie zu unterbinden. Da die meisten Hybridpflanzen sowohl männliche als auch weibliche Sexualorgane besitzen, können sie sich selbst befruchten. Dies muss bei der Hybridzüchtung verhindert werden. Durch die Kastration wären die Elternpflanzen "männlich-steril" und können nur durch die Pollen anderer Pflanzen befruchtet werden. Bei den meisten Nutzpflanzen sind die Blüten jedoch so klein, dass es nicht gelingt, den weiblichen Elternorganismus in großem Maßstab zu kastrieren. Bedeutendstes Beispiel ist der Brotweizen (Triticum aestivum).

 Eine Möglichkeit ist die chemische Kastration, bei der chemische Hybridisierungsmittel die Ausbildung funktionsfähiger Pollen verhindern. Da der Erfolg nicht zu 100% garantiert werden kann, ist sie relativ teuer. Andere Methoden beruhen wiederum auf genetischen bzw. molekularen Wirkmechanismen. Diese führen zur sogenannten CMS, die cytoplasmatisc-verankerte männliche Sterilität. Wichtig ist bei diesem Verfahren, dass es eine vollständige Reversion der Sterilität geben muss. Denn welcher Bauer möchte eine Getreidepflanze aufziehen, die keine Körner bildet?

Hybridweizen für mehr Nachhaltigkeit und weniger Ressourcenverbauch

Noch werden die Vorteile der Weizen-Hybridsorten nicht im großen Maßstab genutzt. Immer mehr Forscher beschäftigen sich daher mit der Aufklärung der molekularen Grundlagen und der Entwicklung neuer Verfahren zur Erzeugung von Weizen-Hybriden. Im Rahmen des unter anderem vom BMBF geförderten internationalen Forschungsprogramms PLANT-KBBE III HY-WHEAT wird u. a. an der Entwicklung neuer Hybridweizensorten und neuer Zuchtlinien in Verbindung mit der CMS geforscht. Das übergeordnete Ziel besteht darin, durch den Anbau von Hybridweizensorten die Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft zu erhöhen und den Ressourcenverbrauch zu senken. 

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